JP5392158B2 - Perchlorate production apparatus and production method - Google Patents

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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

本発明は、過塩素酸塩の製造装置および製造方法に関するものである。   The present invention relates to a perchlorate production apparatus and production method.

過塩素酸塩は、固体燃料ロケットの推進薬の酸化剤(過塩素酸アンモニウム)を始め、リチウム電池の支持電解質(過塩素酸リチウム)やエアバックの着火剤(過塩素酸カリウム)など、様々な用途に利用されている。
ここで、過塩素酸塩の製造方法としては、非特許文献1に詳しく記述されているように、工業的には塩化ナトリウム水溶液の電解酸化により合成した塩素酸ナトリウム水溶液を更に電解酸化して過塩素酸ナトリウムを合成した後、所定の処理を経て製造される。そこで、これまでの従来技術では、例えば特許文献1や特許文献2に記載に記載されているように、過塩素酸ナトリウム(NaClO)水溶液を効率的に電解合成するための方法に焦点が当てられてきた。
Perchlorate, including a solid fuel rocket propellant oxidizer (ammonium perchlorate), lithium battery supporting electrolyte (lithium perchlorate) and airbag igniter (potassium perchlorate) It is used for various purposes.
Here, as described in detail in Non-Patent Document 1, as a manufacturing method of perchlorate, industrially, a sodium chlorate aqueous solution synthesized by electrolytic oxidation of a sodium chloride aqueous solution is further electrolytically oxidized to obtain a perchlorate. After sodium chlorate is synthesized, it is manufactured through a predetermined treatment. Therefore, in the conventional techniques so far, as described in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2, a method for efficiently electrolytically synthesizing a sodium perchlorate (NaClO 4 ) aqueous solution has been focused. Has been.

特開平3−199387号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-199387 特開2007−197740号公報JP 2007-197740 A

J. C. Schumacher(ed.), Perchlorates, A.C.S.Monograph No.146, Reinhold, New York, 1960J. et al. C. Schumacher (ed.), Perchlorates, A.M. C. S. Monograph No. 146, Reinhold, New York, 1960

しかし、過塩素酸ナトリウム以外の過塩素酸塩を製造するにあたり、必ずしも過塩素酸ナトリウムを経由する必要は無い。そこで、本願発明者らは、過塩素酸ナトリウムの製造を経由しないで製造工程を簡略化した過塩素酸塩の製造方法を考案した。この製造方法では、陽極が設けられる陽極側と陰極が設けられる陰極側とを陽イオン交換膜で仕切った電解槽を用い、塩化ナトリウム水溶液あるいは塩素酸ナトリウム水溶液を陽極側で電解酸化して過塩素酸水溶液を生成すると共に、最終生成物の不純物となる陽極側に存在するナトリウムイオンを陽極側から陽イオン交換膜を介して陰極側に移動させて除去する。そして、この電解酸化で生成した過塩素酸水溶液に所定のアルカリ性水溶液を加えて、中和反応により過塩素酸塩を合成する。
ところで、本製造方法では、最終生成物である過塩素酸塩の濃度を制御するにあたり、アノード液中に存在するナトリウムイオン濃度、すなわち上記電解酸化に伴って陽極側から陰極側へ移動するナトリウムイオンの移動量のモニタリングが欠かすことができない。通常、ナトリウムイオン濃度を計測するには液体イオンクロマトグラフィーやICP(Inductive Coupled Plasma)発光分析装置が用いられている。しかし、該分析装置は、分析精度は高いが、分析に時間と手間がかかるため、ナトリウムイオンの移動量をモニタリングする手段としては適していない。
However, in producing perchlorates other than sodium perchlorate, it is not always necessary to go through sodium perchlorate. Accordingly, the inventors of the present application have devised a method for producing a perchlorate in which the production process is simplified without going through the production of sodium perchlorate. In this manufacturing method, an electrolytic cell in which an anode side on which an anode is provided and a cathode side on which a cathode is provided is partitioned by a cation exchange membrane, and sodium chloride aqueous solution or sodium chlorate aqueous solution is electrolytically oxidized on the anode side to produce perchlorine. While generating an acid aqueous solution, the sodium ion which exists in the anode side used as the impurity of a final product moves to the cathode side through a cation exchange membrane from the anode side, and is removed. Then, a predetermined alkaline aqueous solution is added to the perchloric acid aqueous solution generated by this electrolytic oxidation, and a perchlorate is synthesized by a neutralization reaction.
By the way, in this production method, in controlling the concentration of the perchlorate which is the final product, the sodium ion concentration present in the anolyte, that is, sodium ions that move from the anode side to the cathode side with the above electrolytic oxidation Monitoring the amount of movement is essential. Usually, liquid ion chromatography or ICP (Inductive Coupled Plasma) emission analyzer is used to measure the sodium ion concentration. However, the analysis apparatus has high analysis accuracy, but it takes time and labor to analyze, so it is not suitable as a means for monitoring the amount of movement of sodium ions.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ナトリウムイオンの移動量を容易にモニタリングする過塩素酸塩の製造装置及び製造方法の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a perchlorate production apparatus and a production method for easily monitoring the amount of sodium ion migration.

上記の課題を解決するために、本発明は、陽極が設けられる陽極側と陰極が設けられる陰極側とが陽イオン交換膜で仕切られ、上記陽極側において塩化ナトリウム水溶液あるいは塩素酸ナトリウム水溶液を電解酸化する電解槽と、上記陰極側において上記電解酸化に伴い変化するpH値、水温及び液量に基づいて、上記電解酸化に伴い上記陽極側から上記陽イオン交換膜を通過して上記陰極側に移動したナトリウムイオンの移動量を計測する計測装置と、を有する過塩素酸塩の製造装置を採用する。   In order to solve the above problems, the present invention provides an anode side on which an anode is provided and a cathode side on which a cathode is provided, which is partitioned by a cation exchange membrane, and an aqueous sodium chloride solution or an aqueous sodium chlorate solution is electrolyzed on the anode side. Based on the electrolytic cell to be oxidized and the pH value, water temperature, and liquid volume that change with the electrolytic oxidation on the cathode side, it passes through the cation exchange membrane from the anode side to the cathode side with the electrolytic oxidation. A perchlorate production apparatus having a measuring device for measuring the amount of movement of the moved sodium ions is employed.

さらに、本発明において、上記計測装置は、大気中に含まれる二酸化炭素の上記陰極側への溶解量に基づいて、上記計測したナトリウムイオンの移動量を補正するという構成を採用する。
一方で、本発明において、上記陰極側には、上記電解酸化に伴い上記陰極で発生した水素ガスを大気中に排気する水素ガス排気管が設けられており、上記水素ガス排気管は、大気中から上記陰極側への二酸化炭素の流入を阻止するトラップを有するという構成を採用する。
Furthermore, in the present invention, the measuring device employs a configuration in which the measured amount of sodium ion movement is corrected based on the amount of carbon dioxide contained in the atmosphere dissolved on the cathode side.
On the other hand, in the present invention, the cathode side is provided with a hydrogen gas exhaust pipe for exhausting the hydrogen gas generated at the cathode accompanying the electrolytic oxidation into the atmosphere. A configuration is employed in which a trap for preventing the inflow of carbon dioxide from the cathode to the cathode side is employed.

また、本発明においては、陽極が設けられる陽極側と陰極が設けられる陰極側とが陽イオン交換膜で仕切られている電解槽を用い、上記陽極側において塩化ナトリウム水溶液あるいは塩素酸ナトリウム水溶液を電解酸化する工程と、上記陰極側におけるpH値、水温及び液量に基づいて、上記電解酸化に伴い上記陽極側から上記陽イオン交換膜を通過して上記陰極側に移動したナトリウムイオンの移動量を計測する工程と、を有する過塩素酸塩の製造方法を採用する。   In the present invention, an electrolytic cell in which the anode side on which the anode is provided and the cathode side on which the cathode is provided is partitioned by a cation exchange membrane, and sodium chloride aqueous solution or sodium chlorate aqueous solution is electrolyzed on the anode side. Based on the step of oxidizing and the pH value, water temperature, and liquid volume on the cathode side, the amount of sodium ions transferred from the anode side to the cathode side through the cation exchange membrane with the electrolytic oxidation is determined. A method for producing a perchlorate having a measuring step is employed.

本発明によれば、検出に手間と時間が掛からない陰極側のpH値と水温と液量とに基づいてナトリウムイオンの移動量を計測することで、従来よりもナトリウムイオンの移動量を容易にモニタリングすることができる。
ここで、pH値は、電解酸化に伴い陽イオン交換膜を通過して陽極側から陰極側へと移動するナトリウムイオンの移動量(水酸化ナトリウムの生成量)に依存する値である。また、水温は、両極に電圧を印加した際のジュール熱によって時間と共に変化する値である。そして、液量は、電解酸化に伴い陽イオン交換膜を通過して陽極側から陰極側へと移動するプロトン及びナトリウムイオンに付随する水によって時間と共に変化する値であり、単位時間当たりの液量の変化は電流密度に依存する。水温及び液量の変化は、ナトリウムイオンの移動量と同様に、陰極側のpH値に影響を及ぼす。
すなわち、本発明では、電解酸化に伴いナトリウムイオンの移動量に依存して変化するpH値、そしてそのpH値に影響を及ぼす水温及び液量の変化を考慮することで、ナトリウムイオンの移動量をモニタリングすることが可能となる。
According to the present invention, the amount of movement of sodium ions can be made easier than before by measuring the amount of movement of sodium ions based on the pH value on the cathode side, the water temperature, and the amount of liquid, which does not take time and effort for detection. Can be monitored.
Here, the pH value is a value that depends on the amount of movement of sodium ions (the amount of sodium hydroxide generated) that moves from the anode side to the cathode side through the cation exchange membrane with electrolytic oxidation. The water temperature is a value that changes with time due to Joule heat when a voltage is applied to both electrodes. The amount of liquid is a value that changes with time due to water accompanying protons and sodium ions that move from the anode side to the cathode side through the cation exchange membrane with electrolytic oxidation, and the amount of liquid per unit time The change of depends on the current density. Changes in the water temperature and the liquid volume affect the pH value on the cathode side, as does the amount of sodium ion migration.
That is, in the present invention, the amount of sodium ions transferred can be reduced by taking into account the pH value that changes depending on the amount of sodium ion transfer accompanying electrolytic oxidation, and the change in the water temperature and the amount of liquid that affect the pH value. It becomes possible to monitor.

なお、陰極側のpH値に影響を及ぼす因子としては、水温及び液量の他に、大気中に存在する二酸化炭素のカソード液への溶解があり、本発明では、さらにこの二酸化炭素の溶解量を考慮することでモニタリングの精度を高めることが可能となる。
また、この二酸化炭素は、陰極で発生する水素ガスを大気中に排気する配管から流入する場合があり、この配管に二酸化炭素用のトラップを設け、二酸化炭素の溶解の影響を低減させることで、モニタリングの精度を高めることが可能となる。
As factors affecting the pH value on the cathode side, in addition to the water temperature and the amount of liquid, there is dissolution of carbon dioxide present in the atmosphere into the cathode liquid. In the present invention, the amount of dissolved carbon dioxide is further increased. It is possible to improve the accuracy of monitoring by considering the above.
In addition, the carbon dioxide may flow from a pipe that exhausts the hydrogen gas generated at the cathode to the atmosphere, and by providing a trap for carbon dioxide in this pipe to reduce the influence of dissolution of carbon dioxide, It becomes possible to improve the accuracy of monitoring.

本発明の実施形態における過塩素酸アンモニウムの製造工程を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing process of the ammonium perchlorate in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における過塩素酸アンモニウム製造装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the ammonium perchlorate manufacturing apparatus in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における一次電解槽の構成図である。It is a block diagram of the primary electrolytic cell in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における二酸化炭素用トラップの構成図である。It is a block diagram of the trap for carbon dioxide in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における二次電解槽の構成図である。It is a block diagram of the secondary electrolytic cell in embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態の過塩素酸塩の製造装置および製造方法について図面を参照して説明する。なお、以下では、本発明を過塩素酸アンモニウムの製造装置および製造方法に適用した場合の例について説明する。   Hereinafter, the manufacturing apparatus and manufacturing method of the perchlorate of embodiment of this invention are demonstrated with reference to drawings. Hereinafter, an example in which the present invention is applied to an ammonium perchlorate production apparatus and production method will be described.

図1は、本発明の実施形態における過塩素酸アンモニウムの製造工程を示すフロー図である。図に示すように、本発明の過塩素酸アンモニウムの製造工程は、大きく分けて、一次電解工程S1、二次電解工程S2、反応工程S3、晶析工程S4の4つの工程からなる。
一次電解工程S1は、塩化ナトリウム水溶液を電解酸化し、塩素酸を主成分とする水溶液を生成する工程である。次の二次電解工程S2は、一次電解工程S1により生成した塩素酸を主成分とする水溶液を電解酸化し、過塩素酸水溶液を生成する工程である。その次の反応工程S3は、二次電解工程S2により生成した過塩素酸水溶液にアンモニア水溶液を添加して中和反応により過塩素酸アンモニウムを合成する工程である。最後の晶析工程S4は、中和反応後の水溶液を真空環境下において蒸発させ、過塩素酸アンモニウムを晶析させる工程である。
FIG. 1 is a flow diagram showing a process for producing ammonium perchlorate in an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the production process of ammonium perchlorate according to the present invention is roughly divided into four steps: a primary electrolysis step S1, a secondary electrolysis step S2, a reaction step S3, and a crystallization step S4.
The primary electrolysis step S1 is a step of electrolytically oxidizing a sodium chloride aqueous solution to generate an aqueous solution containing chloric acid as a main component. The next secondary electrolysis step S2 is a step of electrolytically oxidizing the aqueous solution containing chloric acid as a main component generated in the primary electrolysis step S1 to generate a perchloric acid aqueous solution. The next reaction step S3 is a step of adding ammonium aqueous solution to the perchloric acid aqueous solution generated in the secondary electrolysis step S2 to synthesize ammonium perchlorate by a neutralization reaction. The last crystallization step S4 is a step of crystallizing ammonium perchlorate by evaporating the aqueous solution after the neutralization reaction in a vacuum environment.

続いて、この製造工程を実施する過塩素酸アンモニウム製造装置について説明する。
図2は、本発明の実施形態における過塩素酸アンモニウム製造装置(過塩素酸塩の製造装置)Aの概略構成図である。図中のg、l、sの符号は、それぞれ気体、液体、固体の状態であることを示す。実施形態の過塩素酸アンモニウム製造装置Aは、一次電解工程S1を行う一次電解槽1と、二次電解工程S2を行う二次電解槽2と、反応工程S3及び晶析工程S4を行う反応・蒸発槽3とを備えている。
Then, the ammonium perchlorate manufacturing apparatus which implements this manufacturing process is demonstrated.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an ammonium perchlorate production apparatus (perchlorate production apparatus) A in the embodiment of the present invention. The symbols g, l, and s in the figure indicate a gas, liquid, and solid state, respectively. The ammonium perchlorate production apparatus A of the embodiment includes a primary electrolytic cell 1 that performs a primary electrolysis step S1, a secondary electrolytic cell 2 that performs a secondary electrolysis step S2, a reaction step that performs a reaction step S3 and a crystallization step S4. Evaporation tank 3 is provided.

図3は、本発明の実施形態における一次電解槽1の構成図である。
一次電解槽1は、陽極4が設けられる陽極側4Aと、陰極5が設けられる陰極側5Aとを仕切るように設けられた陽イオン交換膜6を有する。一次電解槽1は、後述する電解酸化により、陽極側溶液(アノード液)が強酸性に、陰極側溶液(カソード液)が強アルカリ性になるため、一次電解槽1の本体には、耐化学薬品安定性に優れたもの、例えばテフロン(デュポン(株)、登録商標)や塩化ビニル、ガラスを使用することが望ましい。また、配管の継ぎ手についても、耐化学薬品安定性に優れたもの、例えばテフロン(デュポン(株)、登録商標)を用いることが望ましい。
FIG. 3 is a configuration diagram of the primary electrolytic cell 1 in the embodiment of the present invention.
The primary electrolytic cell 1 has a cation exchange membrane 6 provided so as to partition an anode side 4A where the anode 4 is provided and a cathode side 5A where the cathode 5 is provided. Since the anode side solution (anolyte) becomes strongly acidic and the cathode side solution (catholyte) becomes strongly alkaline due to the electrolytic oxidation described later, the primary electrolytic cell 1 has a chemical resistant chemical on the main body of the primary electrolytic cell 1. It is desirable to use a material having excellent stability, such as Teflon (DuPont, registered trademark), vinyl chloride, or glass. In addition, it is desirable to use a pipe joint having excellent chemical resistance, for example, Teflon (DuPont Co., Ltd., registered trademark).

陽イオン交換膜6は、一次電解槽1内で陽極4と陰極5との間にギャップ無しで挟みこまれたゼロギャップ型の電解セルを構成する。この陽イオン交換膜6は、陽イオンが通過でき、且つ、陰イオンが通過できないという特性を有する膜であり、本実施形態では、陽イオン交換膜6にナフィオン424(Nafion、デュポン(株)、登録商標)が用いられている。なお、陽イオン交換膜としては、苛性ソーダ製造に広く用いられているAciplex(旭化成(株)、登録商標)やFlemion(旭硝子(株)、登録商標)を用いても良い。   The cation exchange membrane 6 constitutes a zero-gap electrolytic cell sandwiched between the anode 4 and the cathode 5 in the primary electrolytic cell 1 without a gap. This cation exchange membrane 6 is a membrane having the characteristics that a cation can pass and an anion cannot pass. In this embodiment, Nafion 424 (Nafion, DuPont, Inc.) Registered trademark). As the cation exchange membrane, Aciplex (Asahi Kasei Co., Ltd., registered trademark) or Flemion (Asahi Glass Co., Ltd., registered trademark) widely used in caustic soda production may be used.

陽極4は、陽極側4Aにおける塩素酸イオンの電解合成反応の促進を図るため触媒を被覆したエキスパンドメタルからなる。本実施形態の陽極4は、基体であるチタンエキスパンドメタルの表面を、酸素ガスの発生を抑える効果のある、焼成法により酸化イリジウム及び白金からなる触媒層で被覆した電極、あるいは、焼成法により酸化イリジウム及び酸化ルテニウムからなる触媒層で被覆した電極、あるいは、焼成法により酸化イリジウム及び酸化ルテニウム及び白金からなる触媒層で被覆した電極、あるいは、焼成法により酸化タンタル及び白金からなる触媒層で被覆した電極から構成される。
一方、この陽極4と対となる陰極5は、基体であるチタンエキスパンドメタルの表面を電解メッキにより白金の触媒層で被覆した電極、または、ニッケルエキスパンドメタルからなる電極から構成される。
The anode 4 is made of an expanded metal coated with a catalyst in order to promote the electrolytic synthesis reaction of chlorate ions on the anode side 4A. The anode 4 of this embodiment is an electrode in which the surface of a titanium expanded metal as a substrate is coated with a catalyst layer made of iridium oxide and platinum by a firing method, which has an effect of suppressing generation of oxygen gas, or oxidized by a firing method. An electrode coated with a catalyst layer made of iridium and ruthenium oxide, an electrode coated with a catalyst layer made of iridium oxide, ruthenium oxide and platinum by a firing method, or a catalyst layer made of tantalum oxide and platinum by a firing method Consists of electrodes.
On the other hand, the cathode 5 paired with the anode 4 is composed of an electrode in which the surface of a titanium expanded metal as a base is covered with a platinum catalyst layer by electrolytic plating, or an electrode made of nickel expanded metal.

陽極側4Aには、アノード液を貯溜するアノード液タンク4Bが設けられている(以下、電解槽1の陽極側4Aを陽極側電解槽2Aと称する)。アノード液タンク4Bにおけるアノード液の液面は、陽極側電解槽2A内の液面よりも高くなっている。アノード液タンク4Bと陽極側電解槽2Aとは、配管27a及び配管27bで接続されている。配管27aは、陽極側電解槽2Aの底部とアノード液タンク4Bの底部とを接続するものであり、配管27bは、陽極側電解槽2Aの天部とアノード液タンク4Bの側部とを接続するものである。なお、アノード液タンク4Bの底部には、アノード液の濃度を均一に保つための超音波振動子4B1を設ける。   The anode side 4A is provided with an anolyte tank 4B for storing the anolyte (hereinafter, the anode side 4A of the electrolytic cell 1 is referred to as an anode side electrolytic cell 2A). The liquid level of the anolyte in the anolyte tank 4B is higher than the liquid level in the anode side electrolytic cell 2A. The anolyte tank 4B and the anode side electrolytic cell 2A are connected by a pipe 27a and a pipe 27b. The pipe 27a connects the bottom of the anode electrolytic cell 2A and the bottom of the anolyte tank 4B, and the pipe 27b connects the top of the anode electrolytic tank 2A and the side of the anolyte tank 4B. Is. An ultrasonic transducer 4B1 is provided at the bottom of the anolyte tank 4B to keep the concentration of the anolyte uniform.

一方、陰極側5Aには、カソード液を貯溜するカソード液タンク5Bが設けられる(以下、電解槽1の陰極側5Aを陰極側電解槽2Bと称する)。カソード液タンク5Bにおけるカソード液の液面は、陰極側電解槽2B内の液面よりも高くなっている。カソード液タンク5Bと陰極側電解槽2Bとは、配管28a及び配管28bで接続されている。配管28aは、陰極側電解槽2Bの底部とカソード液タンク5Bの底部とを接続するものであり、配管28bは、陰極側電解槽2Bの天部とカソード液タンク5Bの側部とを接続するものである。なお、カソード液タンク5Bの底部には、カソード液の濃度を均一に保つための超音波振動子5B1を設ける。   On the other hand, the cathode side 5A is provided with a catholyte tank 5B for storing catholyte (hereinafter, the cathode side 5A of the electrolytic cell 1 is referred to as a cathode side electrolytic cell 2B). The liquid level of the catholyte in the catholyte tank 5B is higher than the liquid level in the cathode side electrolytic cell 2B. The catholyte tank 5B and the cathode side electrolytic cell 2B are connected by a pipe 28a and a pipe 28b. The piping 28a connects the bottom of the cathode side electrolytic cell 2B and the bottom of the catholyte tank 5B, and the piping 28b connects the top of the cathode side electrolytic cell 2B and the side of the catholyte tank 5B. Is. An ultrasonic transducer 5B1 for keeping the concentration of the catholyte uniform is provided at the bottom of the catholyte tank 5B.

アノード液タンク4Bの天部にはアノード液導入配管21が接続されており、塩化ナトリウム水溶液がアノード液導入配管21を介して導入され、陽極側4A(陽極側電解槽2A、アノード液タンク4Bを含む)を満たす。また、アノード液タンク4Bの天部には、電解酸化時のアノード液のpH値を調節するpH調節剤として水酸化ナトリウム水溶液を導入するpH調節剤導入配管11が接続されている。また、アノード液タンク4Bには、アノード液のpH値を計測するpH計12が設けられる。   An anolyte introduction pipe 21 is connected to the top of the anolyte tank 4B, and an aqueous sodium chloride solution is introduced through the anolyte introduction pipe 21 to connect the anode side 4A (the anode side electrolytic cell 2A and the anolyte tank 4B). Satisfy). Further, a pH adjuster introduction pipe 11 for introducing a sodium hydroxide aqueous solution as a pH adjuster for adjusting the pH value of the anolyte during electrolytic oxidation is connected to the top of the anolyte tank 4B. The anolyte tank 4B is provided with a pH meter 12 for measuring the pH value of the anolyte.

一方、カソード液タンク5Bの天部にはカソード液導入配管22が接続されており、純水がカソード液導入配管22を介して導入され、陰極側5A(陰極側電解槽2B、カソード液タンク5Bを含む)を満たす。また、カソード液タンク5Bには、カソード液のpH値を計測するpH計14と、カソード液の水温を計測する水温計15と、カソード液タンク5Bの液面高さに基づいてカソード液の液量を計測する液面計16とが設けられる。   On the other hand, a catholyte introduction pipe 22 is connected to the top of the catholyte tank 5B, and pure water is introduced through the catholyte introduction pipe 22, and the cathode side 5A (cathode side electrolytic cell 2B, catholyte tank 5B). Meet). The catholyte tank 5B includes a pH meter 14 that measures the pH value of the catholyte, a water temperature meter 15 that measures the water temperature of the catholyte, and a catholyte liquid based on the liquid level of the catholyte tank 5B. A level gauge 16 for measuring the amount is provided.

一次電解槽1の内部で各液にそれぞれ浸された陽極4及び陰極5の両極に電圧を印加すると、次のような反応が進行する。
陽極側4Aにおいては、塩化ナトリウム水溶液が電解酸化され、下記の反応式(1)、反応式(2)に示す反応が生じる。
2Cl → Cl+2e …(1)
2HO → O+4H+4e …(2)
ここで発生した塩素ガスにより、下記の反応式(3)、反応式(4)に示す平衡反応が生じる。この平衡反応は、水溶液のpH値によりその形態が変化する。
Cl+HO ⇔ H+Cl+HClO …(3)
HClO ⇔ H+ClO …(4)
When a voltage is applied to both the anode 4 and the cathode 5 immersed in each solution inside the primary electrolytic cell 1, the following reaction proceeds.
On the anode side 4A, the aqueous sodium chloride solution is electrolytically oxidized, and the reactions shown in the following reaction formulas (1) and (2) occur.
2Cl → Cl 2 + 2e ... (1)
2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e ... (2)
The chlorine gas generated here causes the equilibrium reaction shown in the following reaction formulas (3) and (4). The form of this equilibrium reaction changes depending on the pH value of the aqueous solution.
Cl 2 + H 2 O⇔H + + Cl + HClO (3)
HClO⇔H + + ClO (4)

この反応で生じた次亜塩素酸を電解酸化すると、下記の反応式(5)、反応式(6)に示す反応により亜塩素酸が生成される。
ClO+HO → ClO +2H+2e …(5)
HClO+HO → HClO +2H+2e …(6)
生成された亜塩素酸を更に電解酸化すると、下記の反応式(7)、反応式(8)に示す反応により塩素酸が生成される。
ClO +HO → ClO +2H+2e …(7)
HClO+HO → HClO +2H+2e …(8)
When the hypochlorous acid generated by this reaction is electrolytically oxidized, chlorous acid is generated by the reactions shown in the following reaction formulas (5) and (6).
ClO + H 2 O → ClO 2 + 2H + + 2e ... (5)
HClO + H 2 O → HClO 2 + 2H + + 2e (6)
When the produced chlorous acid is further electrolytically oxidized, chloric acid is produced by the reactions shown in the following reaction formulas (7) and (8).
ClO 2 + H 2 O → ClO 3 + 2H + + 2e ... (7)
HClO 2 + H 2 O → HClO 3 + 2H + + 2e ... (8)

上記反応式(1)〜反応式(8)に示すように、一次電解工程では、塩素酸と副生成物として酸素ガスが生成される。
ここで、陽極側4Aの液中に含まれるナトリウムイオンは、両極間の電位差によって陽イオン交換膜6を通過して陽極側4Aから陰極側5Aに移動する。一方、次亜塩素酸イオン、亜塩素酸イオンは陽イオン交換膜6を通過できず、水溶液‐陽極4‐陽イオン交換膜6で構成される三界面での反応により塩素酸イオンとなる。
As shown in the reaction formulas (1) to (8), in the primary electrolysis process, oxygen gas is generated as chloric acid and by-products.
Here, sodium ions contained in the liquid on the anode side 4A move from the anode side 4A to the cathode side 5A through the cation exchange membrane 6 due to the potential difference between the two electrodes. On the other hand, hypochlorite ions and chlorite ions cannot pass through the cation exchange membrane 6 and become chlorate ions by a reaction at the three interfaces constituted by the aqueous solution-anode 4-cation exchange membrane 6.

なお、陽極側電解槽2Aで生じた酸素ガス(気泡)は、配管27bを介してアノード液タンク4Bに導かれる。アノード液タンク4Bの天部には酸素ガス配管23が設けられており、酸素ガス配管23を介して酸素ガスが外部に順次排気される。
また、陽極側電解槽2Aの底部からは、液面の差(水圧差)により配管27aを介してアノード液タンク4Bからアノード液が順次導入されるため、電解酸化されたアノード液は、陽極側電解槽2Aから、配管27bを介してアノード液タンク4B側に押し出される。従って、アノード液はポンプ等の駆動機構によらずに陽極側電解槽2Aとアノード液タンク4Bとの間で循環するため、より多くのアノード液が陽極側電解槽2Aで電解酸化される。
The oxygen gas (bubbles) generated in the anode side electrolytic cell 2A is guided to the anolyte tank 4B through the pipe 27b. An oxygen gas pipe 23 is provided at the top of the anolyte tank 4B, and oxygen gas is sequentially exhausted to the outside through the oxygen gas pipe 23.
In addition, since the anolyte is sequentially introduced from the anolyte tank 4B from the bottom of the anode side electrolytic cell 2A through the pipe 27a due to the difference in liquid level (water pressure difference), the electrolytically oxidized anolyte is It is extruded from the electrolytic cell 2A to the anolyte tank 4B side through the pipe 27b. Accordingly, since the anolyte circulates between the anode side electrolytic cell 2A and the anolyte tank 4B regardless of the driving mechanism such as a pump, more anolyte is electrolytically oxidized in the anode side electrolytic cell 2A.

陰極側5Aにおいては、下記の反応式(9)、反応式(10)に示す反応が生じ、水素ガスと水酸化ナトリウムとが生成される。
2H+2e → H…(9)
2Na+2HO+2e → 2NaOH+H…(10)
なお、陰極側電解槽2Bで生じた水素ガス(気泡)は、配管28bを介してカソード液タンク5Bに導かれる。カソード液タンク5Bの天部には水素ガス配管(水素ガス排気間)24が設けられており、水素ガス配管24を介して水素ガスが外部に順次排気される。また、陽極側4Aにおいてアノード液が循環することと同様に、陰極側5Aにおいても、カソード液の循環作用が得られる。
本実施形態の水素ガス配管24には、外部から陰極側5Aへ、その大気中に含まれる二酸化炭素の浸入を阻止するトラップ18が設けられている。トラップ18は、図4に示すように、水素ガス配管24の先端開口部を水Wに浸漬させ、該開口部からの二酸化炭素の浸入を阻止する構成となっている。なお、トラップ18は、例えば水素ガス配管24をU字管状にして、そのU字状になった部位に二酸化炭素を吸着する水を滞留させることで構成されてもよい。
On the cathode side 5A, the reactions shown in the following reaction formulas (9) and (10) occur, and hydrogen gas and sodium hydroxide are generated.
2H + + 2e → H 2 (9)
2Na + + 2H 2 O + 2e → 2NaOH + H 2 (10)
The hydrogen gas (bubbles) generated in the cathode side electrolytic cell 2B is guided to the catholyte tank 5B through the pipe 28b. A hydrogen gas pipe (between hydrogen gas exhausts) 24 is provided at the top of the catholyte tank 5B, and the hydrogen gas is sequentially exhausted to the outside through the hydrogen gas pipe 24. Similarly to the circulation of the anolyte at the anode side 4A, the circulation of the catholyte can be obtained at the cathode side 5A.
The hydrogen gas pipe 24 of the present embodiment is provided with a trap 18 that prevents intrusion of carbon dioxide contained in the atmosphere from the outside to the cathode side 5A. As shown in FIG. 4, the trap 18 is configured to immerse the front end opening of the hydrogen gas pipe 24 in the water W and prevent the intrusion of carbon dioxide from the opening. In addition, the trap 18 may be comprised by making the hydrogen gas piping 24 into a U shape, for example, and retaining the water which adsorb | sucks a carbon dioxide in the U-shaped site | part.

計測装置13は、上記電解酸化に伴うナトリウムイオンの移動量をモニタリングするものであり、pH計14、水温計15、液面計16、演算装置17を用い、陰極側5Aにおいて上記電解酸化に伴い変化するpH値と水温と液量とに基づいて、ナトリウムイオンの陽極側4Aから陰極側5Aへの移動量を演算し、その移動量をリアルタイム計測する。演算装置17は、pH計14、水温計15、液面計16と電気的に接続されており、各々からの計測結果のデータが入力され、該データに基づいてナトリウムイオンの移動量を演算する演算プログラムを有する。
以下、この演算プログラムについて、詳しく説明する。
The measuring device 13 monitors the amount of movement of sodium ions accompanying the electrolytic oxidation. The measuring device 13 uses a pH meter 14, a water temperature meter 15, a liquid level meter 16, and a computing device 17, and accompanies the electrolytic oxidation on the cathode side 5A. Based on the changing pH value, water temperature, and liquid volume, the amount of movement of sodium ions from the anode side 4A to the cathode side 5A is calculated, and the amount of movement is measured in real time. The computing device 17 is electrically connected to the pH meter 14, the water temperature meter 15, and the liquid level meter 16, and data of measurement results from each is input, and the amount of movement of sodium ions is computed based on the data. Has an arithmetic program.
Hereinafter, this calculation program will be described in detail.

ナトリウムイオンの移動量を演算する際に必要となる測定値は、陰極側5AのpH値、水温、液量である。
ここで、pH値は、反応式(10)に示したように、電解酸化に伴い陽イオン交換膜6を通過して陽極側4Aから陰極側5Aへと移動するナトリウムイオンの移動量(水酸化ナトリウムの生成量)に依存する値である。また、水温は、両極に電圧を印加した際のジュール熱によって時間と共に変化する値である。そして、液量は、電解酸化に伴い陽イオン交換膜6を通過して陽極側4Aから陰極側5Aへと移動するプロトン及びナトリウムイオンに付随する水によって時間と共に変化する値であり、単位時間当たりの液量の変化は電流密度に依存する。水温及び液量の変化は、ナトリウムイオンの移動量と同様に、陰極側5AのpH値に影響を及ぼす。
このため、本演算手法では、電解酸化に伴いナトリウムイオンの移動量に依存して変化するpH値、そしてそのpH値に影響を及ぼす水温及び液量の変化を考慮することで、ナトリウムイオンの移動量を算出する。
The measurement values required when calculating the amount of movement of sodium ions are the pH value, water temperature, and liquid volume of the cathode side 5A.
Here, as shown in the reaction formula (10), the pH value is the amount of movement of sodium ions (hydroxylation) that passes through the cation exchange membrane 6 and moves from the anode side 4A to the cathode side 5A along with electrolytic oxidation. This value depends on the amount of sodium produced. The water temperature is a value that changes with time due to Joule heat when a voltage is applied to both electrodes. The liquid amount is a value that changes with time due to water accompanying protons and sodium ions that move from the anode side 4A to the cathode side 5A through the cation exchange membrane 6 in accordance with electrolytic oxidation, and per unit time. The change in the amount of liquid depends on the current density. The change in the water temperature and the liquid volume affects the pH value of the cathode side 5A, similarly to the movement amount of sodium ions.
For this reason, this calculation method takes into account the pH value that changes depending on the amount of sodium ion migration associated with electrolytic oxidation, and the change in water temperature and liquid volume that affects the pH value. Calculate the amount.

両極に電圧を印加して電解酸化を開始してからt時間後、陽極側4Aから陰極側5Aへと移動したナトリウムイオンの移動量(mol)は、電解前に陰極側5Aに存在するナトリウムイオンの量との差分で、下記の数式(a)で表すことができる。ここでの添え字tは、電解酸化開始からt時間後、0は電解酸化開始前を表す。   The amount of migration (mol) of sodium ions moved from the anode side 4A to the cathode side 5A after t hours from the start of electrolytic oxidation by applying voltage to both electrodes is the sodium ion present on the cathode side 5A before electrolysis. It can be expressed by the following mathematical formula (a) by the difference from the amount of. The subscript t here represents t hours after the start of electrolytic oxidation, and 0 represents the start before electrolytic oxidation.

Figure 0005392158
Figure 0005392158

水酸化ナトリウムの電離度は1であるため、カソード液タンク5Bにおける水酸化イオンの増加量(mol)は、ナトリウムイオンの移動量と等しいとみなせることから、下記の数式(b)で表すことができる。   Since the degree of ionization of sodium hydroxide is 1, the increase amount (mol) of hydroxide ions in the catholyte tank 5B can be regarded as being equal to the amount of sodium ion migration, and therefore can be expressed by the following mathematical formula (b). it can.

Figure 0005392158
Figure 0005392158

電解酸化前の水のイオン積Xは、水酸化イオンのモル濃度[OH]と水素イオンのモル濃度[H]との積であるから、電解酸化前の水酸化イオンのモル量を(OH)とし、電解酸化前の水素イオンのモル量を(H)とし、電解酸化前の陰極側5Aのカソード液の液量をVとすると、下記の数式(c)で表すことができる。 Since the ionic product X 0 of water before electrolytic oxidation is the product of the molar concentration of hydroxide ions [OH ] and the molar concentration of hydrogen ions [H + ], the molar amount of hydroxide ions before electrolytic oxidation is expressed as When (OH ), the molar amount of hydrogen ions before electrolytic oxidation is (H + ), and the amount of catholyte on the cathode side 5A before electrolytic oxidation is V 0 , the following formula (c) is used. Can do.

Figure 0005392158
Figure 0005392158

イオン積Xは温度依存性の変数であり、標準ギブス自由エネルギーとの関係式を変形して得られる標準エンタルピーΔHとの関係から、下記の数式(d)及び(e)で表すことができる。ここで、Tはカソード液の水温、Rはモル気体定数(8.314J/mol・K)、ΔHは水の電離平衡のモル標準エンタルピー(56500J/mol)を表す。   The ion product X is a temperature-dependent variable, and can be expressed by the following mathematical formulas (d) and (e) from the relationship with the standard enthalpy ΔH obtained by modifying the relational equation with the standard Gibbs free energy. Here, T represents the water temperature of the catholyte, R represents the molar gas constant (8.314 J / mol · K), and ΔH represents the molar standard enthalpy (56500 J / mol) of the ionization equilibrium of water.

Figure 0005392158
Figure 0005392158

電解酸化を開始してからt時間後のイオン積Xtは、電解開始からt時間後のカソード液の液量について陽極側4Aから陽イオンに付随して陰極側5Aに流入する水を考慮し、その増加量をvとすると、下記の数式(f)で表すことができる。   The ion product Xt after t hours from the start of the electrolytic oxidation takes into consideration the water flowing into the cathode side 5A accompanying the cation from the anode side 4A with respect to the amount of the catholyte liquid t hours after the start of electrolysis, If the increase amount is v, it can be expressed by the following mathematical formula (f).

Figure 0005392158
Figure 0005392158

ここで、数式(c)を水酸化イオンのモル量を示す式に変形すると、下記の数式(g)で表すことができる。   Here, when the mathematical formula (c) is transformed into a formula representing the molar amount of hydroxide ions, it can be represented by the following mathematical formula (g).

Figure 0005392158
Figure 0005392158

また、数式(g)を、電解酸化を開始してからt時間後の水酸化イオンのモル量を示す式に変形すると、下記の数式(h)で表すことができる。   Further, when the mathematical formula (g) is transformed into a formula showing the molar amount of hydroxide ions after t hours from the start of the electrolytic oxidation, it can be expressed by the following mathematical formula (h).

Figure 0005392158
Figure 0005392158

数式(g)及び数式(h)を数式(b)に代入すると、ナトリウムイオンの移動量は結論として、下記の数式(i)で表すことができる。   When the mathematical formula (g) and the mathematical formula (h) are substituted into the mathematical formula (b), the amount of movement of sodium ions can be expressed by the following mathematical formula (i).

Figure 0005392158
Figure 0005392158

数式(i)によれば、電解酸化を開始してからt時間後のpH値と水温と液量とに基づいて、そのt時間後のナトリウムイオンの移動量が算出できるため、ナトリウムイオン量のリアルタイム計測が可能となる。   According to the mathematical formula (i), since the amount of sodium ions transferred after t time can be calculated based on the pH value, water temperature and liquid volume after t time from the start of electrolytic oxidation, Real-time measurement is possible.

なお、大気中の二酸化炭素のカソード液への溶け込みによって、反応式(11)に示す反応が生じる。
CO+HO → H+CO …(11)
本実施形態では水素ガス配管24に二酸化炭素用のトラップ18を設置するため、ナトリウムイオンの移動量を算出するにあたり、大気中の二酸化炭素がカソード液へ溶解することによるpH値の低下を考慮する必要性は殆どない。しかし、トラップ18を設けない場合においても、本演算式を適用可能とするため、二酸化炭素の溶解によるpH値の低下を考慮すると、その補正式としては下記のように表すことができる。
The reaction shown in the reaction formula (11) is caused by the dissolution of carbon dioxide in the atmosphere into the catholyte.
CO 2 + H 2 O → H + + CO 3 ... (11)
In this embodiment, since the trap 18 for carbon dioxide is installed in the hydrogen gas pipe 24, in calculating the amount of movement of sodium ions, a decrease in pH value due to dissolution of atmospheric carbon dioxide into the catholyte is taken into account. There is little need. However, even in the case where the trap 18 is not provided, this calculation formula can be applied. Therefore, in consideration of a decrease in pH value due to dissolution of carbon dioxide, the correction formula can be expressed as follows.

二酸化炭素の溶け込みによる電解酸化前の水素イオンの濃度をyとし、電解酸化を開始してからt時間後の水素イオン濃度をyとして数式(i)を補正すると、下記の数式(j)〜数式(l)で表すことができる。 When the concentration of hydrogen ions before electrolytic oxidation due to the dissolution of carbon dioxide is y 0 and the hydrogen ion concentration after t hours from the start of electrolytic oxidation is y t , the mathematical formula (i) is corrected, and the following mathematical formula (j) -It can represent with Numerical formula (l).

Figure 0005392158
Figure 0005392158

水素イオン濃度y及び水素イオン濃度yは、二酸化炭素の分圧が一定であれば温度に依存した既知の値、すなわち、二酸化炭素の溶解度S、大気中の二酸化炭素の密度Z、数式(i)における酸解離定数Ka、そして分圧pとする下記の数式(m)で表すことができる。従って、二酸化炭素の溶解によるpH値の低下を考慮した補正式は、数式(j)に、数式(k)〜数式(m)を代入することで表すことができる。 The hydrogen ion concentration y 0 and the hydrogen ion concentration y t are known values depending on temperature if the partial pressure of carbon dioxide is constant, that is, the solubility S of carbon dioxide, the density Z of carbon dioxide in the atmosphere, The acid dissociation constant Ka in i) and the partial pressure p can be expressed by the following mathematical formula (m). Therefore, the correction formula considering the decrease in pH value due to the dissolution of carbon dioxide can be expressed by substituting Formula (k) to Formula (m) into Formula (j).

Figure 0005392158
Figure 0005392158

計測装置13は、上記演算プログラムに基づき電解酸化に伴うナトリウムイオンの移動量をモニタリングする。そして、その移動量から陽極側4Aのナトリウムイオン濃度を把握する。
一次電解槽1での電解酸化により、十分な量の塩素酸が生成されたアノード液(塩素酸ナトリウムを含む)は、弁25Aを閉状態から開状態にしたアノード液輸送配管25を介してアノード液タンク4Bから二次電解槽2に輸送される。一方、カソード液は、弁26Aを閉状態から開状態にしたカソード液輸送配管26を介してカソード液タンク5Bから外部に輸送される。
The measuring device 13 monitors the movement amount of sodium ions accompanying electrolytic oxidation based on the above arithmetic program. And the sodium ion density | concentration of 4 A of anode sides is grasped | ascertained from the movement amount.
An anolyte (including sodium chlorate) in which a sufficient amount of chloric acid has been generated by electrolytic oxidation in the primary electrolytic cell 1 is anodeed via an anolyte transport pipe 25 in which the valve 25A is opened from the closed state. It is transported from the liquid tank 4B to the secondary electrolytic cell 2. On the other hand, the catholyte is transported to the outside from the catholyte tank 5B through the catholyte transport pipe 26 in which the valve 26A is opened from the closed state.

図5は、本発明の実施形態における二次電解槽2の構成図である。
二次電解槽2は、一次電解槽1で生成した塩素酸を主成分とするアノード液を電解酸化して過塩素酸を生成する。
なお、以下説明する二次電解槽2の構成は、重複説明を避けるため、上述の一次電解槽1と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
FIG. 5 is a configuration diagram of the secondary electrolytic cell 2 in the embodiment of the present invention.
The secondary electrolytic cell 2 generates perchloric acid by electrolytically oxidizing the anolyte mainly composed of chloric acid generated in the primary electrolytic cell 1.
In addition, in order to avoid duplication description, the structure of the secondary electrolytic cell 2 demonstrated below attaches | subjects the same code | symbol about the same or equivalent component as the above-mentioned primary electrolytic cell 1, and the description is simplified or abbreviate | omitted.

二次電解槽2において、陽イオン交換膜6は陽極4´と陰極5´との間にギャップ無しで挟みこまれたゼロギャップ型の電解セルを構成する。
陽極4´は、陽極側4Aにおける過塩素酸イオンの電解合成反応の促進を図るため触媒を被覆したエキスパンドメタルからなる。この陽極4´は、基体であるチタンエキスパンドメタルの表面を、電解メッキにより白金の触媒層で被覆した電極から構成される。
一方、この陽極4´と対となる陰極5´は、触媒を被覆したエキスパンドメタルからなる。この陰極5´は、基体であるチタンエキスパンドメタルの表面を、電解メッキにより白金の触媒層で被覆した電極、または、SUS316エキスパンドメタルからなる電極、または、ニッケルエキスパンドメタルからなる電極から構成される。
In the secondary electrolytic cell 2, the cation exchange membrane 6 constitutes a zero-gap electrolytic cell sandwiched between the anode 4 'and the cathode 5' without a gap.
The anode 4 'is made of expanded metal coated with a catalyst in order to promote the electrolytic synthesis reaction of perchlorate ions on the anode side 4A. The anode 4 'is composed of an electrode in which the surface of a titanium expanded metal as a base is coated with a platinum catalyst layer by electrolytic plating.
On the other hand, the cathode 5 'paired with the anode 4' is made of expanded metal coated with a catalyst. The cathode 5 'is composed of an electrode in which the surface of a titanium expanded metal as a base is covered with a platinum catalyst layer by electrolytic plating, an electrode made of SUS316 expanded metal, or an electrode made of nickel expanded metal.

二次電解槽2のアノード液タンク4Bの天部にはアノード液導入配管として、一次電解槽1のアノード液輸送配管25が接続されており、一次電解工程を経たアノード液がアノード液輸送配管25を介して導入され、陽極側4A(陽極側電解槽2A、アノード液タンク4Bを含む)を満たす。一方、カソード液タンク5Bの天部にはカソード液導入配管22が接続されており、純水がカソード液導入配管22を介して導入され、陰極側5A(陰極側電解槽2B、カソード液タンク5Bを含む)を満たす。二次電解槽2の内部で各液にそれぞれ浸された陽極4´及び陰極5´の両極に電圧を印加すると、次のような反応が進行する。   An anolyte transport pipe 25 of the primary electrolyzer 1 is connected to the top of the anolyte tank 4B of the secondary electrolyzer 2 as an anolyte introduction pipe, and the anolyte after the primary electrolysis step is anolyte transport pipe 25. To fill the anode side 4A (including the anode side electrolytic cell 2A and the anolyte tank 4B). On the other hand, a catholyte introduction pipe 22 is connected to the top of the catholyte tank 5B, and pure water is introduced through the catholyte introduction pipe 22, and the cathode side 5A (cathode side electrolytic cell 2B, catholyte tank 5B). Meet). When a voltage is applied to both the anode 4 'and the cathode 5' immersed in each solution inside the secondary electrolytic cell 2, the following reaction proceeds.

陽極側4Aにおいては、一次電解工程を経たアノード液が電解酸化され、下記の反応式(12)、反応式(13)に示すように、過塩素酸イオンと副生成物として酸素ガスが生成される。なお、微量ではあるが、下記の反応式(14)に示すように、オゾンガスも副生成物として生成される。
ClO +HO → ClO +2H+2e …(12)
2HO → O+4H+4e …(13)
3HO → O+6H+6e …(14)
ここで、陽極側4Aのアノード液中に含まれるナトリウムイオンは、両極間の電位差によって陽イオン交換膜6を通過して陽極側4Aから陰極側5Aに移動する。一方、塩素酸イオンは陽イオン交換膜6を通過できず、水溶液‐陽極4´‐陽イオン交換膜6で構成される三界面で反応式(12)に示す反応により過塩素酸イオンとなる。
On the anode side 4A, the anolyte that has undergone the primary electrolysis step is electrolytically oxidized, and oxygen gas is generated as perchlorate ions and by-products as shown in the following reaction formulas (12) and (13). The In addition, although it is a trace amount, as shown in the following reaction formula (14), ozone gas is also generated as a by-product.
ClO 3 + H 2 O → ClO 4 + 2H + + 2e (12)
2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e ... (13)
3H 2 O → O 3 + 6H + + 6e ... (14)
Here, sodium ions contained in the anolyte on the anode side 4A move from the anode side 4A to the cathode side 5A through the cation exchange membrane 6 due to the potential difference between the two electrodes. On the other hand, chlorate ions cannot pass through the cation exchange membrane 6 and become perchlorate ions by the reaction shown in the reaction formula (12) at the three interfaces constituted by the aqueous solution-anode 4'-cation exchange membrane 6.

陰極側5Aにおいては、下記の反応式(15)、反応式(16)に示す反応が生じ、水素ガスと水酸化ナトリウムとが生成される。
2H+2e → H…(15)
2Na+2HO+2e → 2NaOH+H…(16)
On the cathode side 5A, the reactions shown in the following reaction formulas (15) and (16) occur, and hydrogen gas and sodium hydroxide are generated.
2H + + 2e → H 2 (15)
2Na + + 2H 2 O + 2e → 2NaOH + H 2 (16)

二次電解槽2の計測装置13は、前述した演算プログラムに基づき、電解酸化に伴うナトリウムイオンの移動量をモニタリングする。そして、その移動量から陽極側4Aのナトリウムイオン濃度を把握する。
十分な量の過塩素酸イオンが生成されたアノード液は、弁25Aを閉状態から開状態にしたアノード液輸送配管25´を介してアノード液タンク4Bから反応・蒸発槽3に輸送される。一方、カソード液は、弁26Aを閉状態から開状態にしたカソード液輸送配管26を介してカソード液タンク5Bから外部に輸送される。
The measuring device 13 of the secondary electrolytic cell 2 monitors the amount of movement of sodium ions accompanying electrolytic oxidation based on the aforementioned arithmetic program. And the sodium ion density | concentration of 4 A of anode sides is grasped | ascertained from the movement amount.
The anolyte in which a sufficient amount of perchlorate ions has been generated is transported from the anolyte tank 4B to the reaction / evaporation tank 3 via the anolyte transport pipe 25 'in which the valve 25A is opened from the closed state. On the other hand, the catholyte is transported to the outside from the catholyte tank 5B through the catholyte transport pipe 26 in which the valve 26A is opened from the closed state.

反応・蒸発槽3では、電解酸化後のアノード液中にアンモニア水溶液を添加して過塩素酸アンモニウムを合成する工程と、合成後のアノード液を減圧環境下で蒸発させて過塩素酸アンモニウムを晶析させる工程とを行う。なお、ここでアンモニア水溶液の代わりにアンモニアガスをバブリングして添加してもよい。
反応・蒸発槽3には、アンモニア供給配管31が接続されており、電解酸化後のアノード液中にアンモニア水溶液を供給する構成となっている。電解酸化後のアノード液中にアンモニア水溶液を添加すると、下記の反応式(17)に示す中和反応が生じ、過塩素酸アンモニウムが合成される。
HClO+NHOH → NHClO+H …(17)
In the reaction / evaporation tank 3, a step of synthesizing ammonium perchlorate by adding an aqueous ammonia solution to the anolyte after electrolytic oxidation, and evaporating the synthesized anolyte under reduced pressure to crystallize ammonium perchlorate. And performing the analysis process. Here, ammonia gas may be added by bubbling instead of the aqueous ammonia solution.
An ammonia supply pipe 31 is connected to the reaction / evaporation tank 3 to supply an aqueous ammonia solution into the anolyte after electrolytic oxidation. When an aqueous ammonia solution is added to the anolyte after electrolytic oxidation, a neutralization reaction shown in the following reaction formula (17) occurs, and ammonium perchlorate is synthesized.
HClO 4 + NH 4 OH → NH 4 ClO 4 + H 2 O ... (17)

次に、反応・蒸発槽3において、合成後のアノード液を真空環境下で蒸発させて過塩素酸アンモニウムを結晶として取り出す。反応式(17)に示すように、過塩素酸アンモニウムと共に得られる副生成物は水であるため、水を蒸発させるだけで高純度の過塩素酸アンモニウムの結晶が得られる。   Next, in the reaction / evaporation tank 3, the synthesized anolyte is evaporated in a vacuum environment to take out ammonium perchlorate as crystals. As shown in the reaction formula (17), since the by-product obtained together with ammonium perchlorate is water, high-purity ammonium perchlorate crystals can be obtained simply by evaporating the water.

以上のように、本実施形態によれば、陽極4が設けられる陽極側4Aと陰極5が設けられる陰極側5Aとが陽イオン交換膜6で仕切られ、陽極側4Aにおいて塩化ナトリウム水溶液を電解酸化する一次電解槽1及び二次電解槽2と、陰極側5Aにおいて上記電解酸化に伴い変化するpH値と水温と液量とに基づいて、上記電解酸化に伴い陽極側4Aから陽イオン交換膜6を通過して陰極側5Aに移動したナトリウムイオンの移動量を計測する計測装置13と、を有する過塩素酸アンモニウム製造装置Aを採用することにより、検出に手間と時間が掛からない陰極側5AのpH値と水温と液量とに基づいてナトリウムイオンの移動量を算出することで、従来よりもナトリウムイオンの移動量を容易にモニタリングすることができる。   As described above, according to the present embodiment, the anode side 4A provided with the anode 4 and the cathode side 5A provided with the cathode 5 are partitioned by the cation exchange membrane 6, and the sodium chloride aqueous solution is electrolytically oxidized on the anode side 4A. The cation exchange membrane 6 from the anode side 4A to the electrolytic oxidation based on the pH value, the water temperature and the amount of liquid that change with the electrolytic oxidation at the cathode side 5A. By adopting an ammonium perchlorate production apparatus A having a measuring device 13 that measures the amount of sodium ions that have moved to the cathode side 5A after passing through the cathode side, the detection of the cathode side 5A that does not take time and effort for detection By calculating the amount of movement of sodium ions based on the pH value, the water temperature, and the amount of liquid, the amount of movement of sodium ions can be monitored more easily than before.

また、本実施形態では、電解酸化に伴いナトリウムイオンの移動量に依存して変化するpH値、そしてそのpH値に影響を及ぼす水温及び液量の変化を考慮することで、ナトリウムイオンの移動量を精度良くモニタリングすることが可能となる。
なお、陰極側のpH値に影響を及ぼす因子としては、水温及び液量の他に、大気中に存在する二酸化炭素のカソード液への溶解があり、本実施形態では、この二酸化炭素の溶解量を考慮した補正式を用いることでモニタリングの精度をさらに高めることが可能となる。
Further, in the present embodiment, the amount of movement of sodium ions is considered by considering the pH value that changes depending on the amount of movement of sodium ions accompanying electrolytic oxidation, and the change in water temperature and liquid volume that affects the pH value. Can be accurately monitored.
As factors affecting the pH value on the cathode side, in addition to the water temperature and the amount of liquid, there is dissolution of carbon dioxide present in the atmosphere into the cathode liquid. In this embodiment, the amount of dissolved carbon dioxide It is possible to further improve the accuracy of monitoring by using a correction formula that takes into account.

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring drawings, this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.

例えば、上記実施形態では、電解槽の陽極側において電解酸化する原料として、塩化ナトリウム水溶液を用いて電解酸化する形態を例示して説明したが、塩素酸ナトリウム水溶液を用いて電解酸化する形態であっても良い。   For example, in the above-described embodiment, a mode in which electrolytic oxidation is performed using a sodium chloride aqueous solution as a raw material to be electrolytically oxidized on the anode side of the electrolytic cell has been described, but a mode in which electrolytic oxidation is performed using a sodium chlorate aqueous solution May be.

また、例えば、本発明は、上述した過塩素酸アンモニウムの製造装置への適用に限定されるものではなく、過塩素酸リチウムや過塩素酸カリウム等のアルカリ金属過塩素酸塩の製造装置、過塩素酸カルシウム等のアルカリ土類金属過塩素酸塩の製造装置、また、過塩素酸銀の製造装置等にも適用可能である。   Further, for example, the present invention is not limited to application to the above-described ammonium perchlorate production apparatus, but an alkali metal perchlorate production apparatus such as lithium perchlorate or potassium perchlorate, The present invention can also be applied to an apparatus for producing alkaline earth metal perchlorates such as calcium chlorate and an apparatus for producing silver perchlorate.

A…過塩素酸アンモニウム製造装置(過塩素酸塩の製造装置)、S1…一次電解工程、…、S2…二次電解工程、S3…反応工程(合成工程)、S4…晶析工程、1…一次電解槽、2…二次電解槽、3…反応・蒸発槽、4…陽極、4´…陽極、4A…陽極側、5…陰極、5´…陰極、5A…陰極側、6…陽イオン交換膜、13…計測装置、14…pH計、15…水温計、16…液面計、17…演算装置、18…トラップ、24…水素ガス配管(水素ガス排気管)   A ... Ammonium perchlorate production device (perchlorate production device), S1 ... Primary electrolysis step, ..., S2 ... Secondary electrolysis step, S3 ... Reaction step (synthesis step), S4 ... Crystalling step, 1 ... Primary electrolytic cell, 2 ... Secondary electrolytic cell, 3 ... Reaction / evaporation tank, 4 ... Anode, 4 '... Anode, 4A ... Anode side, 5 ... Cathode, 5' ... Cathode, 5A ... Cathode side, 6 ... Cation Exchange membrane, 13 ... measuring device, 14 ... pH meter, 15 ... water temperature meter, 16 ... liquid level meter, 17 ... computing device, 18 ... trap, 24 ... hydrogen gas pipe (hydrogen gas exhaust pipe)

Claims (4)

陽極が設けられる陽極側と陰極が設けられる陰極側とが陽イオン交換膜で仕切られ、前記陽極側において塩化ナトリウム水溶液あるいは塩素酸ナトリウム水溶液を電解酸化する電解槽と、
前記陰極側において前記電解酸化に伴い変化するpH値、水温及び液量に基づいて、前記電解酸化に伴い前記陽極側から前記陽イオン交換膜を通過して前記陰極側に移動したナトリウムイオンの移動量を計測する計測装置と、を有することを特徴とする過塩素酸塩の製造装置。
An electrolytic cell for partitioning an anode side on which an anode is provided and a cathode side on which a cathode is provided with a cation exchange membrane, and electrolytically oxidizing a sodium chloride aqueous solution or a sodium chlorate aqueous solution on the anode side;
Movement of sodium ions that have moved from the anode side to the cathode side through the cation exchange membrane with the electrolytic oxidation based on the pH value, water temperature, and liquid volume that change with the electrolytic oxidation on the cathode side A perchlorate production apparatus, comprising: a measurement device for measuring the amount.
前記計測装置は、大気中に含まれる二酸化炭素の前記陰極側への溶解量に基づいて、前記計測したナトリウムイオンの移動量を補正することを特徴とする請求項1に記載の過塩素酸塩の製造装置。   2. The perchlorate according to claim 1, wherein the measuring device corrects the measured amount of sodium ion movement based on a dissolution amount of carbon dioxide contained in the atmosphere to the cathode side. Manufacturing equipment. 前記陰極側には、前記電解酸化に伴い前記陰極で発生した水素ガスを大気中に排気する水素ガス排気管が設けられており、
前記水素ガス排気管は、大気中から前記陰極側への二酸化炭素の流入を阻止するトラップを有することを特徴とする請求項1または2に記載の過塩素酸塩の製造装置。
On the cathode side, a hydrogen gas exhaust pipe for exhausting hydrogen gas generated at the cathode accompanying the electrolytic oxidation into the atmosphere is provided,
The apparatus for producing perchlorate according to claim 1 or 2, wherein the hydrogen gas exhaust pipe has a trap for preventing inflow of carbon dioxide from the atmosphere to the cathode side.
陽極が設けられる陽極側と陰極が設けられる陰極側とが陽イオン交換膜で仕切られている電解槽を用い、前記陽極側において塩化ナトリウム水溶液あるいは塩素酸ナトリウム水溶液を電解酸化する工程と、
前記陰極側におけるpH値、水温及び液量に基づいて、前記電解酸化に伴い前記陽極側から前記陽イオン交換膜を通過して前記陰極側に移動したナトリウムイオンの移動量を計測する工程と、を有することを特徴とする過塩素酸塩の製造方法。
Using an electrolytic cell in which an anode side provided with an anode and a cathode side provided with a cathode are partitioned by a cation exchange membrane, and electrolytically oxidizing a sodium chloride aqueous solution or a sodium chlorate aqueous solution on the anode side;
Based on the pH value on the cathode side, the water temperature, and the amount of liquid, measuring the amount of sodium ions that have moved from the anode side to the cathode side through the cation exchange membrane accompanying the electrolytic oxidation, and A method for producing perchlorate, comprising:
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