JP5557394B2 - 排水処理方法 - Google Patents
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Description
この発明は、塩素ガスと水素ガスの製造方法、及びこれを利用した排水処理方法に関するものである。
従来、食塩水を電気分解して、苛性ソーダ、塩素、水素を製造（電解ソーダ工業）する方法には、イオン交換膜法、隔膜法、水銀法があり、次のように説明されている。（非特許文献１）
すなわち、わが国ではすべてイオン交換膜法となっており、イオン交換膜法の食塩電解の原理を説明すると、陽極側と陰極側を、特殊な樹脂であるイオン交換膜で仕切ったものがイオン交換膜法である。このイオン交換膜は、陰イオン（マイナスイオン）を遮断し、陽イオン（プラスイオン）のみを通過させる特殊な性質を持っている。
イオン交換膜法食塩電解では、陽極のある陽極室には食塩水を、陰極のある陰極室には水を注入して、これに電気を流すことにより電気分解し、塩素、苛性ソーダ、水素を生成させる。
陽極室は、食塩水の溶液で満たされているので、ナトリウムイオンNa＋と塩化物イオンCl−が存在する。電気を通すとイオンの移動が起きが、ナトリウムイオンNa＋はプラスのイオンであるから、陽極室よりイオン交換膜を通過して陰極室に入る。一方の塩化物イオンCl−はマイナスのイオンであるから、陽極室にとどまって、陽極でマイナスの電子を放出して塩素ガス（Cl2）になる。
一方陰極室では、注入された水が一部水素イオンH＋と水酸化物イオンOH−に分かれており、水素イオンが陰極で電子を得て水素ガス（H2）となる。残された水酸化物イオンOH−は、陽極室に引かれるが、イオン交換膜で遮断されて陰極室にとどまり、陽極側から移動してきたナトリウムイオンNa＋と結合して、か性ソーダ（水酸化ナトリウムNaOH）となる。
しかし、水素ガスと塩素ガスとの生成効率があまり高くないという問題があった。
インターネット：電解ソーダ工業の製造原理＜http://www.jsia.gr.jp/explanation_03.html＞
すなわち、わが国ではすべてイオン交換膜法となっており、イオン交換膜法の食塩電解の原理を説明すると、陽極側と陰極側を、特殊な樹脂であるイオン交換膜で仕切ったものがイオン交換膜法である。このイオン交換膜は、陰イオン（マイナスイオン）を遮断し、陽イオン（プラスイオン）のみを通過させる特殊な性質を持っている。
イオン交換膜法食塩電解では、陽極のある陽極室には食塩水を、陰極のある陰極室には水を注入して、これに電気を流すことにより電気分解し、塩素、苛性ソーダ、水素を生成させる。
陽極室は、食塩水の溶液で満たされているので、ナトリウムイオンNa＋と塩化物イオンCl−が存在する。電気を通すとイオンの移動が起きが、ナトリウムイオンNa＋はプラスのイオンであるから、陽極室よりイオン交換膜を通過して陰極室に入る。一方の塩化物イオンCl−はマイナスのイオンであるから、陽極室にとどまって、陽極でマイナスの電子を放出して塩素ガス（Cl2）になる。
一方陰極室では、注入された水が一部水素イオンH＋と水酸化物イオンOH−に分かれており、水素イオンが陰極で電子を得て水素ガス（H2）となる。残された水酸化物イオンOH−は、陽極室に引かれるが、イオン交換膜で遮断されて陰極室にとどまり、陽極側から移動してきたナトリウムイオンNa＋と結合して、か性ソーダ（水酸化ナトリウムNaOH）となる。
しかし、水素ガスと塩素ガスとの生成効率があまり高くないという問題があった。
インターネット：電解ソーダ工業の製造原理＜http://www.jsia.gr.jp/explanation_03.html＞
そこでこの発明は、水素ガスと塩素ガスとの生成効率が従来よりも高い塩素ガスと水素ガスの製造方法を提供しようとするものである。
前記課題を解決するためこの発明では次のような技術的手段を講じている。
(１)この発明の塩素ガスと水素ガスの製造方法は、食塩を含有する水を無隔膜で電気分解し、発生する塩素ガスと水素ガスとを比重差により分離して回収するようにしたことを特徴とする。
この塩素ガスと水素ガスの製造方法では、食塩を含有する水を無隔膜で電気分解することにより、陽極からの塩素ガス（Cl2）と陰極からの水素ガス（H2）が液相から気相に移行した際に混合することになるが、この塩素ガスと水素ガスとの揮発混合気を比重差（塩素ガス2.49＞水素ガス0.069）により分離して回収するようにしており、無隔膜の電気分解を利用しても塩素ガスと水素ガスとを分離して回収することができる。
(１)この発明の塩素ガスと水素ガスの製造方法は、食塩を含有する水を無隔膜で電気分解し、発生する塩素ガスと水素ガスとを比重差により分離して回収するようにしたことを特徴とする。
この塩素ガスと水素ガスの製造方法では、食塩を含有する水を無隔膜で電気分解することにより、陽極からの塩素ガス（Cl2）と陰極からの水素ガス（H2）が液相から気相に移行した際に混合することになるが、この塩素ガスと水素ガスとの揮発混合気を比重差（塩素ガス2.49＞水素ガス0.069）により分離して回収するようにしており、無隔膜の電気分解を利用しても塩素ガスと水素ガスとを分離して回収することができる。
比重差により分離する具体的な態様として、例えば２系統の分岐流路の高低差を利用することができ、上側の流路に比重の小さい水素ガスが移行していき、下側の流路に比重の大きい塩素ガスが移行していくことになる。
そして、無隔膜方式の電気分解では有隔膜方式よりも電流の通過効率が高いので（隔膜は電流の流れを阻害する）、水素ガスと塩素ガスとのより効率的な発生を図ることができる。すなわち、無隔膜の電気分解により電流の通過効率を高くした状態で、塩素ガスと水素ガスのそれぞれを分離して回収することができる。
ここで、揮発ガスに不活性ガス（窒素ガス、アルゴンガス、炭酸ガスなど）を添加すると、不測の爆発事故を抑制することができる。
そして、無隔膜方式の電気分解では有隔膜方式よりも電流の通過効率が高いので（隔膜は電流の流れを阻害する）、水素ガスと塩素ガスとのより効率的な発生を図ることができる。すなわち、無隔膜の電気分解により電流の通過効率を高くした状態で、塩素ガスと水素ガスのそれぞれを分離して回収することができる。
ここで、揮発ガスに不活性ガス（窒素ガス、アルゴンガス、炭酸ガスなど）を添加すると、不測の爆発事故を抑制することができる。
(２) 前記水素ガスと塩素ガスを反応させて塩化水素ガスを生成させるようにしてもよい。
このように構成すると、塩化水素ガス（HCｌ）が生成する際に反応生成熱が発生することとなり（次記の化学式参照）、この生成熱をエネルギー利用することができる。例えば、前記生成熱により水を加熱して蒸気を発生させ、この蒸気を加圧して発電に利用することができる。
1/2Cl2（gas）+1/2H2（gas）→HCｌ（gas）+92.3ｋJ/モル
ここで、水素ガスと塩素ガスの反応を開始させるために、例えば紫外線UVを照射することができる。
このように構成すると、塩化水素ガス（HCｌ）が生成する際に反応生成熱が発生することとなり（次記の化学式参照）、この生成熱をエネルギー利用することができる。例えば、前記生成熱により水を加熱して蒸気を発生させ、この蒸気を加圧して発電に利用することができる。
1/2Cl2（gas）+1/2H2（gas）→HCｌ（gas）+92.3ｋJ/モル
ここで、水素ガスと塩素ガスの反応を開始させるために、例えば紫外線UVを照射することができる。
（３）生成した前記塩化水素ガスを水に溶解させて塩酸を生成させ、前記塩酸の一部を電気分解で使用するようにしてもよい。
このように構成すると、塩化水素ガスを水にフィードバックして成る塩酸を、無隔膜の電気分解における塩素イオン（Cl−）の供給源として循環利用することができる。
このように構成すると、塩化水素ガスを水にフィードバックして成る塩酸を、無隔膜の電気分解における塩素イオン（Cl−）の供給源として循環利用することができる。
(４) 前記塩素ガスを水又は水酸化ナトリウムに溶解させるようにしてもよい。
このように構成すると、次亜塩素酸（HOCｌ）含有水を製造することができる。一方、水素ガスはボンベに圧入したり、水素吸蔵合金に吸収させたりして貯蔵することができる。
このように構成すると、次亜塩素酸（HOCｌ）含有水を製造することができる。一方、水素ガスはボンベに圧入したり、水素吸蔵合金に吸収させたりして貯蔵することができる。
（５）この排水処理方法は、前記水として排水を浄化するようにした。
このように構成すると、電気分解により発生した塩素（Cl2）と水との反応により生成した次亜塩素酸（HOCｌ）によって、排水中の汚れ成分を酸化分解して浄化していくことができる。
このように構成すると、電気分解により発生した塩素（Cl2）と水との反応により生成した次亜塩素酸（HOCｌ）によって、排水中の汚れ成分を酸化分解して浄化していくことができる。
この発明は上述のような構成であり、次の効果を有する。
無隔膜の電気分解により電流の通過効率を高くした状態で塩素ガスと水素ガスのそれぞれを分離して回収することができるので、水素ガスと塩素ガスとの生成効率が従来よりも高い塩素ガスと水素ガスの製造方法を提供することができる。
無隔膜の電気分解により電流の通過効率を高くした状態で塩素ガスと水素ガスのそれぞれを分離して回収することができるので、水素ガスと塩素ガスとの生成効率が従来よりも高い塩素ガスと水素ガスの製造方法を提供することができる。
以下、この発明の実施の形態を説明する。
（実施形態１）
図１に示すように、この実施形態の塩素ガス１（Cl2）と水素ガス２（H2）の製造方法は、食塩を含有する水を無隔膜で電気分解し、発生する塩素ガスと水素ガスとを比重差により分離して回収するようにしている。
具体的には、食塩水電解槽では、棒状の陽極の外周を円筒状の陰極が取り囲むように配置している。そして、前記食塩水電解槽の上方に、ガス比重差分離塔を配置するようにしている。
（実施形態１）
図１に示すように、この実施形態の塩素ガス１（Cl2）と水素ガス２（H2）の製造方法は、食塩を含有する水を無隔膜で電気分解し、発生する塩素ガスと水素ガスとを比重差により分離して回収するようにしている。
具体的には、食塩水電解槽では、棒状の陽極の外周を円筒状の陰極が取り囲むように配置している。そして、前記食塩水電解槽の上方に、ガス比重差分離塔を配置するようにしている。
比重差により分離する具体的な態様として、ガス比重差分離塔では２系統の分岐流路の高低差を利用しており、上側の流路３に比重の小さい水素ガス（比重0.069）が移行していき、下側の流路４に比重の大きい塩素ガス（比重2.49）が移行していくことになる。なお、ブロアーにより塩素ガスと水素ガスの誘引作用を及ぼすこともできる。
そして、前記塩素ガスは、水酸化ナトリウム（NaOH）に溶解させるようにしており、次亜塩素酸（HOCｌ）含有水（NaClO水）を製造することができる。一方、水素ガスは高圧ポンプPを使用し水素ガスボンベに圧入して貯蔵するようにしている。
そして、前記塩素ガスは、水酸化ナトリウム（NaOH）に溶解させるようにしており、次亜塩素酸（HOCｌ）含有水（NaClO水）を製造することができる。一方、水素ガスは高圧ポンプPを使用し水素ガスボンベに圧入して貯蔵するようにしている。
前記水として排水を浄化するようにし、塩素ガス（Cl2）と水素ガス（H2）の製造方法と共に排水処理方法としても機能するようにしており、電気分解により発生した塩素（Cl2）と水との反応により生成した次亜塩素酸（HOCｌ）によって、排水中の汚れ成分を酸化分解して浄化していくことができるという利点を有する。
ここで、揮発ガスに不活性ガス（窒素ガス、アルゴンガス、炭酸ガスなど）を添加すると、不測の爆発事故を抑制することができる（図示せず）。
ここで、揮発ガスに不活性ガス（窒素ガス、アルゴンガス、炭酸ガスなど）を添加すると、不測の爆発事故を抑制することができる（図示せず）。
次に、この実施形態の塩素ガスと水素ガスの製造方法の使用状態を説明する。
この塩素ガス１（Cl2）と水素ガス２（H2）の製造方法では、食塩を含有する水を無隔膜で電気分解することにより、陽極からの塩素ガスと陰極からの水素ガス（H2）が液相から気相に移行した際に混合することになるが、この塩素ガスと水素ガスとの揮発混合気を比重差（塩素ガス2.49＞水素ガス0.069）により分離して回収するようにしており、無隔膜の電気分解を利用しても塩素ガスと水素ガスとを分離して回収することができ、水素ガスと塩素ガスとの生成効率が従来よりも高いという利点を有する。
この塩素ガス１（Cl2）と水素ガス２（H2）の製造方法では、食塩を含有する水を無隔膜で電気分解することにより、陽極からの塩素ガスと陰極からの水素ガス（H2）が液相から気相に移行した際に混合することになるが、この塩素ガスと水素ガスとの揮発混合気を比重差（塩素ガス2.49＞水素ガス0.069）により分離して回収するようにしており、無隔膜の電気分解を利用しても塩素ガスと水素ガスとを分離して回収することができ、水素ガスと塩素ガスとの生成効率が従来よりも高いという利点を有する。
そして、無隔膜方式の電気分解では有隔膜方式よりも電流の通過効率が高いので（隔膜は電流の流れを阻害する）、水素ガスと塩素ガスとのより効率的な発生を図ることができる。すなわち、無隔膜の電気分解により電流の通過効率を高くした状態で、塩素ガスと水素ガスのそれぞれを分離して回収することができるという利点を有する。
（実施形態２）
次に、実施形態２を実施形態１との相違点を中心に説明する。
図２に示すように、この実施形態の塩素ガス１と水素ガス２の製造方法は、反応槽で前記水素ガス（H2）と塩素ガス（Cl2）を反応させて塩化水素ガス（HCｌ）を生成させるようにしている。水素ガスと塩素ガスの反応を開始させるために、紫外線UVを照射するようにしている。このようにしたことにより、塩化水素ガスが生成する際に反応生成熱が発生することとなり（次記の化学式参照）、この生成熱をエネルギー利用することができる。
1/2Cl2（gas）+1/2H2（gas）→HCｌ（gas）+92.3ｋJ/モル
具体的には、冷却槽において、高温となった塩化水素ガスの熱を冷却水（水道水）に伝熱し、これにより昇温した冷却水を返送して温水として利用するようにしている。
次に、実施形態２を実施形態１との相違点を中心に説明する。
図２に示すように、この実施形態の塩素ガス１と水素ガス２の製造方法は、反応槽で前記水素ガス（H2）と塩素ガス（Cl2）を反応させて塩化水素ガス（HCｌ）を生成させるようにしている。水素ガスと塩素ガスの反応を開始させるために、紫外線UVを照射するようにしている。このようにしたことにより、塩化水素ガスが生成する際に反応生成熱が発生することとなり（次記の化学式参照）、この生成熱をエネルギー利用することができる。
1/2Cl2（gas）+1/2H2（gas）→HCｌ（gas）+92.3ｋJ/モル
具体的には、冷却槽において、高温となった塩化水素ガスの熱を冷却水（水道水）に伝熱し、これにより昇温した冷却水を返送して温水として利用するようにしている。
次いで、塩酸水生成槽において、生成した前記塩化水素ガスを水に溶解させて塩酸を生成させ、前記塩酸の一部を電気分解で使用するようにしている。このようにしたことにより、塩化水素ガスを水にフィードバックし溶解して成る塩酸を、無隔膜の電気分解における塩素イオン（Cl−）の供給源として循環利用することができるという利点を有する。
前記水として排水を浄化するようにし、塩素ガス（Cl2）と水素ガス（H2）の製造方法と共に排水処理方法としても機能するようにしており、電気分解により発生した塩素（Cl2）と水との反応により生成した次亜塩素酸（HOCｌ）によって、排水中の汚れ成分を酸化分解して浄化していくことができるという利点を有する。
前記水として排水を浄化するようにし、塩素ガス（Cl2）と水素ガス（H2）の製造方法と共に排水処理方法としても機能するようにしており、電気分解により発生した塩素（Cl2）と水との反応により生成した次亜塩素酸（HOCｌ）によって、排水中の汚れ成分を酸化分解して浄化していくことができるという利点を有する。
（実施形態３）
前記塩化水素ガスの反応生成熱により水を加熱して蒸気を発生させ、この蒸気を加圧して発電に利用するようにしている（図示せず）。
前記塩化水素ガスの反応生成熱により水を加熱して蒸気を発生させ、この蒸気を加圧して発電に利用するようにしている（図示せず）。
水素ガスと塩素ガスとの生成効率が従来よりも高いことによって、例えばエネルギー効率に優れる排水処理その他の用途に適用することができる。
１ 塩素ガス
２ 水素ガス
２ 水素ガス
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- 食塩を含有する水を無隔膜で電気分解し、陽極からの塩素ガス１と陰極からの水素ガス２が液相から気相に移行した際に混合する塩素ガス１と水素ガス２との揮発混合気を比重差により分離して回収するようにし、前記塩素ガス１を水又は水酸化ナトリウムに溶解させるようにし、前記塩素ガス１を水又は水酸化ナトリウムを溶解させた水により、排水を浄化するようにしたことを特徴とする排水処理方法。
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