JP5766600B2 - ガス拡散電極を有する2室法イオン交換膜食塩電解槽を用いる電解方法 - Google Patents

ガス拡散電極を有する2室法イオン交換膜食塩電解槽を用いる電解方法 Download PDF

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Description

本発明は、ガス拡散電極を有する2室法イオン交換膜電解槽を用いる食塩電解方法、及び該方法により塩素又は苛性ソーダを製造する方法に関する。
ガス拡散電極を使用するイオン交換膜法で飽和食塩水を電解し、塩素及び苛性ソーダ水溶液を製造する方法はよく知られている。このイオン交換膜法は、陽極を有し食塩水溶液を入れた陽極室と、陰極を有し苛性ソーダ水溶液を入れた陰極室とを、陽イオン交換膜により区画し、陰極室に酸素含有ガス(酸素濃度100%から20%)を供給して両電極間に電流を供給して電解することにより、陰極室に苛性ソーダ水溶液、陽極室に塩素を得るものである。
陰極にガス拡散電極を用いる電解方法は、陰極での水素ガスの発生が起こらないため、通常の水素発生型の電解方法に比べて、理論分解電圧が約1V低下でき、電力費用を約3割削減することが可能である。このガス拡散電極の使用による食塩電解の実用化に向けて種々の検討がなされているが、さらに電解電圧を低下させる方法としてガス拡散電極をイオン交換膜に密着して設置し実質的に陰極液室をなくしてしまう、換言すると陰極室をガス室として構成する方法(陽極室と陰極ガス室の2つの部屋からなり2室法と総称する)が特許文献1や2に提案されている。この方法を採用した場合、陰極液がイオン交換膜と陰極との間にギャップを持って存在しないため陰極液の電気抵抗が極限まで小さくなり電解電圧を最小に維持できるという利点を有する。
特許文献3には、陰極室にガス拡散電極を設置し、陰極液と酸素含有ガスが存在する陰極室を加圧しながら電解を行う食塩電解槽が開示されている(3室法イオン交換膜食塩電解槽)。特許文献3における陰極室加圧はガス拡散電極を、イオン交換膜に密着させることを意図している。
特開平11−124698号公報 特開2006−322018号公報 特開2000−64074号公報(段落0012、0015)
これらのガス拡散電極を使用するイオン交換膜食塩電解法に関する特許文献においては、ガス拡散電極の製法や性能向上のみに注意が払われており、電解生成される苛性ソーダ水溶液の品質に関することには殆ど考慮されていない。また、この2室法イオン交換膜電解槽を用いた食塩電解法では、電解により生成される苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度が電解開始後早期に100ppmに達し、以後上昇傾向を続け、電解を停止せざるを得ない状況となるという課題を有している。
したがって、本発明は、2室法イオン交換膜食塩電解において電解生成される苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度を低下させる電解方法を提供することを目的とするものである。
上記課題について鋭意検討を重ねた結果、2室法イオン交換膜電解槽の陰極ガス室内を加圧した状態で電解すると、電解生成される苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度を低下させることができることを見出し課題を解決するに至った。
つまり本発明によると、上記課題は、次のようにして解決される。
(1)陽イオン交換膜により陽極を収容する陽極室且つガス拡散電極を収容する陰極ガス室に区画された2室法イオン交換膜電解槽を用いる食塩電解方法において、前記陰極ガス室の酸素含有ガス導入口から酸素含有ガスを供給し、前記陰極ガス室の苛性ソーダ水溶液及び過剰酸素含有ガス取出口の下流側にシールポット又はバルブを設置し、前記シールポットの液面変動或いは前記バルブの開度変動により陰極ガス室内を加圧し、陽極室内の液圧力と陰極ガス室内の気体圧力との差(=「陽極室内の液圧力」−「陰極ガス室内の気体圧力」)を、非加圧時と比較して小さくすることにより、電解生成される苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度を低下させることを特徴とする電解方法。
(2)上記(1)項において、陰極ガス室を加圧し、前記差を2.4kPa以下とする。
(3)上記(1)項において、陰極ガス室を加圧し、前記差を−21.6kPa以上とする。
(4)上記(1)から(3)項において、陰極ガス室内の酸素含有ガスの圧力を増加させて陰極ガス室内の加圧を行う。
(5)上記(1)から(4)項のいずれか1項に記載の方法を使用して塩素を製造する。
(6)上記(1)から(4)項のいずれか1項に記載の方法を使用して苛性ソーダを製造する。
ここで、陽極室内の液圧力とは陽極室に食塩水が満たされた時の陽極室における食塩水の高さの中点で、食塩水がイオン交換膜を押す圧力であり、陽極室内の圧力=食塩水液高さ×食塩水密度÷2で算出される。例えば、陽極室の食塩水液高さが600mmで、食塩水密度が約1.12g/mlである場合には、陽極室内の液圧力は、600mm×1.12g/ml÷2で約3.4kPaとなる。
ガス拡散電極を収容した2室法イオン交換膜食塩電解槽の陰極ガス室を加圧しながら電解すると、陰極ガス室で得られる苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度を低下させあるいは低く維持できる理由は、次の通りであると推測できる。
陰極ガス室内の苛性ソーダ水溶液中の食塩は、陽極室に供給される食塩水が陰極ガス室に移動することによりその濃度が増加するため食塩の移動を抑制することができれば苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度は低下し得ると考え、具体的に実現可能且つ有効な手段として陰極ガス室内の気体圧力を上げることを検討した。
陰極ガス室加圧は、通常運転時の陰極内圧に対して、僅かでも加圧すれば良く、実際は1kPa以上加圧すれば良い。陰極ガス室内を加圧すると、非加圧時と比較して、陽極室内の液圧力と陰極ガス室内の気体圧力との差圧が小さくなり、陰極ガス室加圧の効果が生じる。陰極ガス室加圧が強くなると、陰極ガス室の気体圧力が陽極室の液圧力より大きくなるが(差圧がマイナスになる)、陰極ガス室加圧は、電解槽耐圧に達するまで可能であり、電解槽耐圧未満の気体圧力を陰極ガス室に加えながら電解を行う。ここで耐圧とは、電解槽が物理的に破壊される気体圧力、及び電解槽に加わる気体圧力により電解槽の性能が低下する気体圧力のうち、低い方の気体圧力の下限値をいう。
加圧手段は、特に限定されない。例えば陰極ガス室の苛性ソーダ水溶液取出口側の配管にシールポットを設置し、シールポット内の圧力を、前記配管を通して陰極ガス室内に加えても良い。更に前記配管にバルブを設置し、バルブの開閉で陰極ガス室内の加圧を行っても良い。つまり陰極ガス室内の酸素含有ガスの圧力を増加させることにより加圧を行うことが望ましい。
加圧は、運転開始時から行っても、あるいは生成する苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度が所定濃度、例えば100ppmに達してから行っても良いが、運転開始時から行うことも可能である。
請求項1記載の発明によると、電解を停止することなく電解生成される苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度を低下させ、あるいは所定値以下に維持して、実際の操業に悪影響を与えることなく、生成苛性ソーダ水溶液の品質を良好にすることができる。
請求項2及び3記載の発明によると、更に品質の良好な生成苛性ソーダ水溶液が得られる。
請求項4記載の発明によると、具体的な加圧条件が特定される。
請求項5又は6記載の発明によると、電解を停止することなく電解生成される苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度を低下させ、あるいは所定値以下に維持して、塩素や苛性ソーダを製造できる。
図1は本発明の2室法イオン交換膜食塩電解槽の構造を説明する図である。 図2は、実施例1、2及び4〜17における加圧開始からの経過日数と食塩濃度の関係を示すグラフである。
本発明に使用する2室法イオン交換膜電解槽の一例を図1にて説明する。電解槽本体1は、イオン交換膜2により陽極室3と陰極ガス室4に区画され、陽イオン交換膜2の陽極室3側にはメッシュ状の不溶性陽極5が密着し、イオン交換膜2の陰極ガス室4側には炭素繊維等からなる親水層6を挟み、ガス拡散電極7が密着し、前記陰極ガス室4は陰極ガス室として構成されている。ガス拡散電極7と陰極ガス室背板(陰極端子)9の間、つまり陰極ガス室4内部には金属コイル等で構成されるクッション材8が充填されている。
なお、10は陽極液が電解槽外に漏れることを防止する陽極ガスケットであり、11も同様に陰極ガスケットである。陽極ガスケット10及び陰極ガスケット11は、前記イオン交換膜2を挟持し固定している。
12は陽極室下部に設けられた陽極液導入口、13は陽極室上部に設けられた陽極液及び塩素ガス取出口、14は陰極ガス室上部に設けられた酸素含有ガス導入口、15は陰極ガス室下部に設けられた苛性ソーダ水溶液及び過剰酸素含有ガス取出口である。この苛性ソーダ水溶液取出口15の下流側に圧力計18を取付け、シールポット16且つバルブ17を設置することにより陰極ガス室内圧力は制御される。
次いで、図1の電解槽を用いる食塩電解方法を説明する。電解槽本体1の陽極室3に陽極液導入口12から食塩水を供給し、かつ陰極ガス室4に酸素含有ガス導入口14から酸素含有ガスを供給しながら両電極5、7に電流を供給する。電流の供給により、陽極室内では不溶性陽極5より主に塩素が電解生成され、塩素及び低濃度食塩水が陽極液及びガス取出口13より電解槽外へ移動し有効利用される。一方、陰極ガス室ではガス拡散電極7の反応点において、予め苛性ソーダ水溶液で満たした親水層6側からの水分とクッション材8側の酸素が反応し苛性ソーダ水溶液が電解生成され、濃度勾配に従って親水層6へ拡散し直ちに吸収、保持され、また親水層6内部を流下して苛性ソーダ水溶液取出及び過剰酸素含有ガス口15から電解槽外に移動し有効利用される。
食塩濃度が100ppmより越えた状態下において、または電解開始時からシールポット16を介して生成苛性ソーダ水溶液を排出するようにするとシールポット内の苛性ソーダ水溶液圧力相当の気体圧力が陰極ガス室内に加えられる。或いはシールポットを設置できない場合においても、バルブ17の開度を調整することにより陰極ガス室内は加圧状態となる。陰極ガス室内の気体圧力状態は、圧力計18で管理する。圧力計18で示される陰極ガス室内の気体圧力は、シールポット16の液面変動或いはバルブ17開度変動にて一定に制御あるいは、ある一定圧以上に制御することができる。このように陰極ガス室を加圧し陽極室内の液圧力(=食塩水液高さ×食塩密度÷2)と陰極ガス室内の気体圧力(酸素含有ガスの圧力)との差である「陽極室内の液圧力−陰極ガス室内の気体圧力」(以下、「差圧」)を小さくした状態で電解すると生成苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度が100ppm未満となり、更には上昇傾向を示す以前の濃度にまで低下したまま安定推移する。
なお本願明細書においては、陽極室内の液圧力を、「陽極室内の圧力」、陰極ガス室内の気体圧力を「陰極ガス室内の圧力」と記載することもある。
差圧は、2.4kPa以下では低下傾向が認められ好ましく、−0.6kPa以下では低下傾向が大きく顕著に好ましい。尚、陰極ガス室を加圧する最高圧力は、酸素含有ガスの供給圧力、陰極ガス室を加圧することによる苛性ソーダの生成量低下、電解槽の耐圧強度を考慮して決めることが好ましい。
本発明を実施例に基づき説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
[実施例1]
ガス拡散電極は、ペルメレック電極株式会社製カーボンクロス基材2室法GDE(登録商標)を使用した。このガス拡散電極は、ポリテトラフルオロエチレン、銀微粒子、カーボンクロス(炭素繊維)基材で構成されている。また、親水層はペルメレック電極株式会社製炭素繊維を使用した。一方、陽極は、ペルメレック電極株式会社製DSE(登録商標)を使用した。
陽イオン交換膜は、未使用新品の旭化成ケミカルズ株式会社製4404Xを使用した。
電解槽は、クロリンエンジニアズ株式会社製6dm2電解槽を使用した。電極の反応面積は、横100mm、高さ600mmのサイズであり、電解槽部材はチタン製陽極室、ニッケル、銀メッキニッケル製陰極ガス室、EPDM(エチレン−プロピレン−ジエンゴム)製ガスケット、銀メッキニッケルコイルクッション材とした。
圧力計は0kPaゲージ(以下同様kPaはゲージ圧)から25kPaの範囲が測定可能となる水の入った目盛り付U字管、シールポットはアクリル製で直径200mm、高さ2500mmの容器を使用した。
上述した陰極ガス室、コイルクッション材、ガス拡散電極、親水層、陽イオン交換膜、陽極及び陽極室を順に積層して図1の食塩電解装置を組立てた。
食塩電解方法は、陽極液導入口より陽極室に80℃の飽和食塩水を供給し、酸素含有ガス供給口より陰極ガス室にPSA濃縮酸素(濃度93容量%)を供給した。飽和食塩水及び酸素が陽極室、陰極ガス室に供給されたことを確認した後、180Aの電流(電流密度3kA/m2)を両極に供給した。電流供給後は、陽極室より塩素、陰極ガス室より苛性ソーダが生成され、陽極出口温度を80℃から90℃、苛性ソーダ水溶液濃度32%から35%で管理した。また、この時の陽極室の液高さは600mm、食塩水密度は1.12g/lで陽極室内の圧力は3.4kPaであった。
生成苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度は、JISK1200−3−1の分光光度法にて測定した。
電流を供給して電解を開始後、4日目の苛性ソーダ水溶液中食塩濃度は50%苛性ソーダ水溶液濃度換算(以下同様に苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度は50%苛性ソーダに換算した濃度)で33ppmであり良好であった。その後22日目、43日目においても食塩濃度は12ppm、22ppmと良好に推移した。次いで69日目では1500ppmと急激に上昇した。食塩濃度が上昇したため生成苛性ソーダ水溶液の出口にシールポットを設置し4kPaの圧力を陰極ガス室に加圧し、差圧を3.4kPaから−0.6kPaとした。
陰極ガス室加圧後33日目(運転開始から102日目)の食塩濃度は343ppmであり陰極ガス室加圧により苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度が低下することを確認した。効果確認後、4kPaから6kPaに圧力を増加させ、差圧を−0.6kPaから−2.6kPaとした。6kPaでの陰極ガス室加圧後6日目(運転開始から108日目)の食塩濃度は30ppmであり食塩濃度が急上昇する前の品質まで回復できた。
陰極ガス室加圧後100日目、200日目(運転開始からそれぞれ169日目及び269日目)においても食塩濃度は30ppm以下で安定推移し、陰極ガス室加圧によって品質良好な苛性ソーダ水溶液が長期間で安定に生成できることを確認した。
[実施例2]
ガス拡散電極は、ペルメレック電極株式会社製銀メッキ発泡ニッケル基材GDEを使用した。このガス拡散電極は、ポリテトラフルオロエチレン、銀微粒子、親水性カーボン、疎水性カーボン、銀メッキ発泡ニッケル基材で構成されていた。また、親水層、陽極は実施例1と同様とした。
陽イオン交換膜は、未使用新品の旭硝子株式会社製8020を使用した。
電解槽、圧力計、シールポットは実施例1と同様とした。
食塩電解装置、食塩電解方法、生成苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度測定は実施例1と同様とした。また、この時の陽極室の液高さは600mm、食塩水密度は1.12g/lで陽極室内の圧力は実施例1と同様の3.4kPaであった。
電流を供給して電解を開始後、19日目、40日目の苛性ソーダ水溶液中食塩濃度は31ppm、49ppmと良好であった。その後74日目、91日目の食塩濃度は143ppm、769ppmと急激に上昇した。97日目に実施例1と同様に苛性ソーダ水溶液の出口にシールポットを設置し7kPaの圧力を陰極ガス室に加圧し、差圧を3.4kPaから−3.6kPaとした。
陰極ガス室加圧後21日目の食塩濃度は18ppmであり、実施例1同様に陰極ガス室加圧により苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度が低下し品質回復することを確認した。
陰極ガス室加圧後100日目、200日目においても食塩濃度は30ppm以下で安定推移し、実施例1と同様に陰極ガス室加圧によって品質良好な苛性ソーダ水溶液が長期間で安定に生成できることを確認した。
[実施例3]
陽イオン交換膜として1330mm×2590mmの陽イオン交換膜(未使用新品の旭化成ケミカルズ株式会社製4403D)32枚、陰極としてガス拡散電極(ペルメレック電極株式会社製)32枚、陽極としてペルメレック電極株式会社製DSE(登録商標)32枚を備えたクロリンエンジニアズ株式会社製電解槽の電解試験をおこなった。本電解槽の1ユニットセルの反応面は巾2480mm、高さ1220mmであり、1槽当たり32ユニットセルで構成されている単極式の電解槽を1槽準備した。
陰極ガス室内の加圧方法は、図1中の生成苛性ソーダ水溶液出口バルブ開閉による方法に従って行った。電解槽内圧力は苛性ソーダ水溶液出口集合管に「YAMATAKE DSTJ3000 TRANSMITTER MODEL JTH920A−145A21EC−X1XXX2−A2T1」(株式会社山武製)圧力計を設置して計測した。
陰極ガス室加圧前後の電解条件は、供給電流188kA(電流密度3.9kA/m2)、陽極出口温度を80℃から90℃、苛性ソーダ水溶液濃度を32%から35%とした。また、この時の陽極室の液高さは1220mm、食塩水密度は1.12g/lで陽極室内の圧力は6.7kPaであった。
陰極ガス室の圧力は、加圧なし、4kPa、6kPaの3条件(差圧は、それぞれ6.7kPa、2.7kPa、0.7kPaに対応)とし、各条件における生成苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度を測定した。
食塩濃度の分析結果は、加圧なしにて28ppm、4kPaにて18ppm、6kPaにて16ppmであった。したがって、陰極ガス室加圧によって生成苛性ソーダ水溶液の品質が良好となることが確認できた。
[実施例4〜17]
陽極室の液高さを600mm、食塩水密度を1.12g/lとして陽極室内の圧力を3.4kPaとしたことも含め、陰極ガス室の加圧以外の条件は実施例1と同じにして、陰極ガス室の加圧による影響を検討した。(実施例4〜17)
各実施例では、先行実施例と同様に、電解初期は陰極ガス室加圧を行わず、陰極ガス室内の生成苛性ソーダ中の食塩濃度1500ppmが検出された時点で、実施例1と同じ手法で、陰極ガス室内を加圧し、差圧を陰極ガス室を加圧していない時の3.4kPaから、2.8kPa(実施例4)、2.5kPa(実施例5)、2.4kPa(実施例6)、2.2kPa(実施例7)、1.8kPa(実施例8)、1.4kPa(実施例9)、−0.6kPa(実施例10)、−2.6kPa(実施例11)、−4.6kPa(実施例12)、−6.6kPa(実施例13)、−9.6kPa(実施例14)、−11.6kPa(実施例15)、−12.6kPa(実施例16)、−21.6kPa(実施例17)とした。
各実施例の加圧なし及び加圧後の経過日数と苛性ソーダ中の食塩濃度の関係を表1に示した。表1で「陽極室圧」は陽極室内の液圧力を、「陰極室圧」は陰極ガス室の気体圧力を表している。また、実施例1及び実施例2を含めた(実施例3は除く)各実施例における加圧開始からの経過日数と食塩濃度の関係を図2のグラフに示した。
Figure 0005766600
Figure 0005766600
更に各実施例において、加圧開始時からの経過日数と苛性ソーダ中の食塩濃度の関係を継続して測定し、加圧開始後、1日、10日及び30日経過後の苛性ソーダ中の食塩濃度を表2に纏めた。これらのデータを使用して各実施例における食塩濃度低下勾配(ppm/日)を算出し、表2に記載した。なお実施例4及び5では、加圧開始後、60日(実施例4では運転開始から129日目、実施例5では運転開始から122日目)以降のデータを使用した(下記する表3〜5についても同じ)。
Figure 0005766600
更に表1及び表2のデータを使用して、実施例4〜17における、陰極ガス室圧力と、苛性ソーダ中の食塩濃度を1500ppmから100ppmまで低下させるために必要な日数を算出して表3に纏めた。更に100ppmから50ppmまで低下させるために必要な日数を算出して表4に纏めた。更に10ppm(30ppmから20ppm)低下させるために必要な時間を算出して表5に纏めた。
Figure 0005766600
Figure 0005766600
Figure 0005766600
表2から、陰極ガス室を加圧しながら電解を行うと、生成苛性ソーダ中の食塩濃度を、−4.2ppm/日〜−48.7ppm/日の平均低下勾配で減少させることができ、更に表3から、生成苛性ソーダ中の食塩濃度である1500ppmを、29〜396日で、実用的に好ましい食塩濃度である100ppmまで低下させられたことが分かる。
0.9kPa加圧である実施例5では、食塩濃度の平均低下勾配が−5.7ppm/日、食塩濃度1500ppmを100ppmまで低下させるために必要な日数が307日であるのに対し、1.0kPa加圧である実施例6では、それぞれ順に−24.7ppm/日及び57日であり、陰極ガス室加圧圧力0.9kPaと1.0kPa間に臨界値があることが分かる。
更に、加圧圧力が15kPaまでは、圧力が増加させるにつれて、食塩濃度減少率も増加するが、加圧圧力が15kPaを超えると(実施例16の16kPa及び実施例17の25kPa)、食塩濃度減少率にほぼ変化がなくなるだけでなく、表1に記載した通り、苛性ソーダ生成量の減少や電解槽の部材の変形が生ずるため、加圧圧力の上限は陰極ガス室を加圧することによる苛性ソーダの生成量低下、電解槽の耐圧強度を考慮して決めることが好ましい。尚、表1において「苛性ソーダ生成量」及び「電解槽の状況」の欄に記載がない実施例は、「苛性ソーダの生成量低下」や「電解槽の部材の変形」等が発生していないことを示す。
尚、表4及び表5は、苛性ソーダ中の食塩濃度の上昇が小さい場合に陰極ガス室を加圧することによって、比較的短時間で回復させることができることを示している。特に、表5に示した通り、食塩濃度が10ppm程度の上昇であれば、2.4kPa以下の差圧によって10時間未満で正常に復旧できることは実用上有効である。

Claims (8)

  1. 陽イオン交換膜により陽極を収容する陽極室且つガス拡散電極を収容する陰極ガス室に区画された2室法イオン交換膜電解槽を用いる食塩電解方法において、前記陰極ガス室の酸素含有ガス導入口から酸素含有ガスを供給し、前記陰極ガス室の苛性ソーダ水溶液及び過剰酸素含有ガス取出口の下流側にシールポット又はバルブを設置し、前記シールポットの液面変動或いは前記バルブの開度変動により陰極ガス室内を加圧し、陽極室内の液圧力と陰極ガス室内の気体圧力との差(=「陽極室内の液圧力」−「陰極ガス室内の気体圧力」)を、非加圧時と比較して小さくすることにより、電解生成される苛性ソーダ水溶液中の食塩濃度を低下させることを特徴とする電解方法。
  2. 前記陰極室の内部にクッション材が充填されている請求項1記載の電解方法。
  3. 前記クッション材が金属コイルで構成されている請求項2記載の電解方法。
  4. 陰極ガス室を加圧し、前記差を2.4kPa以下とすることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電解方法。
  5. 陰極ガス室を加圧し、前記差を−21.6kPa以上とすることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の電解方法。
  6. 陰極ガス室内の酸素含有ガスの気体圧力を増加させて陰極ガス室内の加圧を行うようにした請求項1から5のいずれか1項に記載の電解方法。
  7. 請求項1からのいずれか1項に記載の電解方法による塩素ガスの製造方法。
  8. 請求項1からのいずれか1項に記載の電解方法による苛性ソーダの製造方法。
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