JP6153284B2 - 電解処理用グラファイト電極の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、微粉化したイリジウムでコーティングされた電解処理用のグラファイト電極、特に塩酸の電解用のグラファイト電極の製造方法に関する。

塩酸の電解法はウルマンズ・エンサイクロペディア・オブ・インダストリアル・ケミストリー（Ｕｌｌｍａｎｎｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）、塩素１０．１塩酸の電解、２００６、ビレリー（Ｗｉｌｅｙ）‐ＶＣＨベラグ（Ｖｅｒｌａｇ）に記載されている。塩酸の電解に典型的に使用される電解槽は、双極接続されたグラファイト電極プレートがフィルタープレス原理に従って直列に配列されてなる。アノード・チャンバーおよびカソード・チャンバーは通常隔膜または陽イオン交換膜によって分けられている。常套的には、塩素はアノード側に生じ、水素はカソード側に生じる。水素析出電圧を低減し、ひいてはセル電圧を低減するために、貴金属塩、たとえば、白金、パラジウムおよびロジウムの塩を連続的にまたはバッチ式で電解槽のカソード・チャンバーに添加し、金属の貴金属をグラファイト電極上に析出させる。この手法に関する実質的な不都合の点は、貴金属を析出させることでしか短時間で所望の電圧低下効果が得られないことである。つまり、定期的に更新（または補給、renew）しなければならず、特に貴金属の消費が多い。欧州特許出願第６８３ ２４７ Ａ１号公報によれば、セルの下流側で貴金属が全装置システムに析出する場合があり、その点で別の不都合がある。

欧州特許出願第６８３ ２４７ Ａ１号公報では、グラファイト電極の製造方法が記載されており、貴金属コーティング、例えばイリジウムおよび／またはロジウムのコーティングをグラファイト表面の細孔に施している。欧州特許出願第６８３ ２４７ Ａ１号公報によれば、２〜４個の炭素原子を有する一価または多価アルコールまたはアルコール混合物においてイリジウム塩もしくはロジウム塩、またはイリジウム塩もしくはロジウム塩と他の白金族の金属塩との混合物の溶液をグラファイト内に導入することによってグラファイト電極を製造する。次いで、かかる溶液で含浸させたグラファイトボディの表面を、２〜１０分間２００〜４５０℃の温度で約１ｍｍ未満の深さまで開放状態のガスの炎を用いて加熱する。含浸グラファイトボディ全体がガスの炎下に位置するようにして、上部から底部まで垂直にこの加熱を含浸グラファイトボディに対して施す。

本発明では、主として貴金属でコーティングされた電解処理用グラファイト電極の製造方法であって、
（１）貴金属化合物の水溶液でグラファイト電極の表面をコーティングすること、
（２）溶媒（または溶剤）を除去すること、および
（３）還元ガスおよび／または広範囲にわたって酸素を含んでいないガス（extensively oxygen-free gas）の存在下においてグラファイト電極を１５０〜６５０℃で焼き戻す(temper)
こと
を含んで成る製造方法が提供される。

本発明の別の実施形態として、前記電解処理は塩酸の電気分解である。

本発明の別の実施形態として、前記貴金属化合物は、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、白金、パラジウム化合物およびそれらの混合物から成る群から選択される少なくとも１種の化合物である。

本発明の別の実施形態として、前記貴金属化合物は無機酸もしくは有機酸の塩または錯体化合物である。

本発明の別の実施形態として、前記貴金属化合物は、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、白金もしくはパラジウムのハロゲン化物、アセテート、オキサレート、ニトレートまたはペンタンジオネートである。

本発明の別の実施形態として、前記貴金属化合物は、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、白金またはパラジウムのハロゲン化合物である。

本発明の別の実施形態として、前記貴金属化合物は、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、白金またはパラジウムの塩化物である。

本発明の別の実施形態として、前記貴金属化合物が塩化イリジウムである。

本発明の別の実施形態として、前記塩化イリジウムはＩｒＣｌ_３、ＩｒＣｌ_４、またはＩｒＣｌ_３とＩｒＣｌ_４との混合物である。

本発明の別の実施形態として、形成される貴金属コーティングは、グラファイト電極面基準（またはグラファイト電極面の面積基準）で５〜４０ｇ／ｍ^２の貴金属を含んで成る。

本発明の別の実施形態として、形成される貴金属コーティングが、グラファイト電極面基準で７．５〜２０ｇ／ｍ^２の貴金属を含んで成る。

本発明の別の実施形態として、前記焼き戻しが２００〜４５０℃で行われる。

本発明の別の実施形態として、前記焼き戻しが２５０〜３５０℃で行われる。

本発明の別の実施形態として、前記還元ガスおよび／または広範囲にわたって酸素を含んでいないガスは、化学的不活性なガスのガス状混合物から成っている。

本発明の別の実施形態として、前記化学的不活性なガスのガス状混合物が水素と窒素または希ガスとの混合物である。

本発明の別の実施形態として、前記混合物中における水素の割合が１〜５．５体積％である。

本発明の別の実施形態として、前記焼き戻しの処理時間が１〜５時間である。

本発明の別の実施形態として、前記処理時間が２〜３時間である。

本発明の別の実施形態として、前記還元ガスおよび／または広範囲にわたって酸素を含んでいないガス中における酸素の割合が多くとも５体積％である。

本発明の別の実施形態として、前記還元ガスおよび／または広範囲にわたって酸素を含んでいないガス中における酸素の割合が多くとも３体積％である、

本発明の別の実施形態として、前記還元ガスおよび／または広範囲にわたって酸素を含んでいないガス中における酸素の割合が多くとも１体積％である。

更に別の実施形態として、本発明では上述の製造方法に従って調製されたグラファイト電極が提供される。

本方法では、塩酸の電解処理の条件下において所定の期間安定となった更新（または補給、renew）の必要がない貴金属コーティングが形成される。

尚、欧州特許出願第６８３ ２４７ Ａ１号公報の方法の不都合は、かかる方法で改良された電極における過電圧の低下が電解においてまだ最適とはいえないこと； アルコール性溶媒の使用は空気中で爆発性混合物を形成し得るので、開放状態の炎で処理すると特にある程度の安全性が必要となること；および、「使用されるガスの炎」と「含浸グラファイト表面」と「グラファイトのバルク」との間の温度差が大きいために、加熱時の温度制御が正確にできないことである。

本発明の目的は、前述の不都合点が呈されることのない電解処理用グラファイト電極の改良された製造方法を提供することである。

本発明は、主に貴金属でコーティングされた電解処理用のグラファイト電極、特に塩酸の電解用のグラファイト電極の製造方法を提供する。かかる製造方法は、グラファイト電極表面を貴金属化合物の水溶液でコーティングし、溶媒を除去し、次いでグラファイト電極を１５０〜６５０℃で還元ガスおよび／または広範囲にわたって酸素を含んでいないガスの存在下において焼き戻すことを特徴としている。

特に、電極上の仕上げコーティングは、少なくとも９５重量％の貴金属、好ましくは少なくとも９９重量％の貴金属を含有する。

使用される貴金属化合物は、特にイリジウム、ルテニウム、ロジウム、白金およびパラジウムの化合物から成る群から選択される少なくとも１種の化合物、特に無機酸または有機酸の塩または錯体化合物の単体またはいずれか所望の混合物からなる。イリジウム、ルテニウム、ロジウム、白金またはパラジウムのハロゲン化物、アセテート、オキサレート、ニトレートまたはペンタンジオネートを使用することが好ましい。より好ましくは前記貴金属のハロゲン化物を使用することであり、貴金属の塩化物の使用が特に好ましい。塩化イリジウムを使用することが好ましく、塩化イリジウムはＩｒＣｌ_３またはＩｒＣｌ_４またはこの２種の混合物であってもよい。溶媒として水を使用するので、前記化合物は水和水を含有してもよい。しかしながら、たとえば、酸性イリジウムのハロゲン化物溶液（たとえば、ヘキサクロロイリジウム（ＩＶ）酸）を使用することができる。

貴金属の水溶液は、表面活性物質（特に界面活性剤）、他の塩、特に鉱酸、および水混和性有機溶媒（たとえば、アルコールまたはケトン）を付加的に含有することができる。

貴金属化合物の量は、形成されるコーティングがグラファイト電極面を基準として、即ち外形寸法（エッジ長さ）によって規定される幾何学的表面積を基準として、好ましくは５〜４０ｇ／ｍ^２、より好ましくは７．５〜２０ｇ／ｍ^２の貴金属を含有するように調整されることが好ましい。

本発明の製造方法のある好ましい変更態様では、還元ガスおよび／または広範囲にわたって酸素を含んでいないガスの雰囲気下における処理が２００〜４５０℃、特に好ましくは２５０〜３５０℃で行われる。

処理は、特に、電極のコーティング表面全体にガスを流した状態でオーブンまたは加熱キャビネットにて行われる。かかる目的のために、オーブンまたは加熱キャビネットは、例えば、ガス入口オリフィスおよびガス出口を備えており、外部からの空気の進入を防ぐようになっている（封止されている）。例えば、オーブンが完全に気密でない場合には、空気の進入を防止するために、オーブン内側のチャンバー内が周囲の大気よりも僅かに高い圧力となるように操作してもよい。特に、処理は多くとも２５体積％の残留空気濃度、好ましくは多くとも５体積％の残留空気濃度、更に好ましくは多くとも２体積％の残留空気濃度でもって行われる。焼き戻しガス中の酸素の割合は、特に多くとも５体積％、好ましくは多くとも３体積％およびより好ましくは多くとも１体積％である。

使用されるガス雰囲気は不活性ガス、特に窒素または希ガス、好ましくはヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、ラドン、キセノンもしくは二酸化炭素、または、前記不活性ガスの１種と水素とのガス混合物、または純粋な水素からなることが好ましい。水素の割合は０体積％（純粋な不活性ガス）〜１００体積％（純粋な水素）の範囲であってもよいものの、１〜５．５体積％の範囲の水素濃度を使用するのが好ましい。特に好ましくは使用される不活性ガスは窒素である。一般に好適な水素／窒素混合物はフォーミングガス（forming gas）の名称で混合済みの形態で市販されている。

還元ガスおよび／または広範囲にわたって酸素を含んでいないガスの雰囲気下における処理時間は、好ましくは１〜５時間、特に好ましくは２〜３時間である。

本発明のある好ましい実施形態では、オーブンに１以上のグラファイト電極を仕込んだ後、オーブンを閉めて、残留空気濃度が２５体積％未満、好ましくは５体積％未満、特に好ましくは１体積％未満になるまで上述のガス雰囲気を室温で流す。次にオーブンを所望の温度まで加熱し、かかる温度で所定の処理時間保持する。尚、このような加熱および保持の操作の間においてもガスを流しておく。次に、オーブンのチャンバーを冷却する（かかる冷却の間もガスを流しておく）、１００℃未満、好ましくは５０℃未満に温度が下がったらオーブンに仕込まれた物を取り出す。

本発明では、新規のコーティング法によって得られた「貴金属でコーティングされたグラファイト電極」も提供される。

本発明の方法でコーティングされたグラファイト電極は、塩酸の電解による塩素および水素の生成に非常に好適に用いられる。

したがって、本発明では、新規のコーティング法によって得られた「貴金属でコーティングされたグラファイト電極」を塩酸の電解によって塩素と水素を生成する場合の電極（カソードおよび／またはアノード）として使用することも提供される。

本発明でコーティングされたグラファイト電極を用いた塩酸電解時のＨＣｌ濃度は５〜３６重量％であってもよい。通常使用される塩酸は１０〜３０重量％のＨＣｌ濃度を有する。ＨＣｌ濃度は好ましくは１５〜２５重量％の範囲である。

本発明でコーティングされたグラファイト電極を用いた塩酸電解は常套的に３０〜１００℃、好ましくは５０〜１００℃および特に好ましくは７０〜９０℃の温度で行われる。

本発明によるコーティングされたグラファイト電極は好ましくは電極グラファイト（工業電解処理用グラファイト）、たとえば、グラファイト（Ｇｒａｐｈｉｔｅ）ＣＯＶＡ 社（ローゼンバッハ）から市販されているＡＸ、または、ＳＧＬカーボン（Ｃａｒｂｏｎ）社（マイチンゲン）から市販されているＨＬ、ＭＬまたはＡＬグラファイトのような所定のグレードのグラファイトを用いて製造される。このような特に好適な種類のグラファイトは通常、１２〜２３％の特徴的な多孔率（累積細孔容積）を有し、抵抗率は５．０〜１２．５μΩｍであり、バルク密度は１．６０〜１．８０ｇ／ｃｍ^３であり、灰分の含有量は０．１％未満である。

電解で生じるガス（アノード：塩素、カソード：水素）の排出を向上させるために、グラファイト電極表面を、例えば１ｍｍ〜３ｍｍの幅のスリットを１０〜３０ｍｍの深さで、３〜７ｍｍ間隔で入れることによって構造化してもよい。新規のコーティング法は、コーティングがより均一であるので、表面が構造化されたグラファイト電極の場合には特に有効であることが分かる。

隔膜電解においてアノード・チャンバーとカソード・チャンバーとを分けるのに好ましく使用される隔膜（またはダイアフラム）は、好ましくはＰＶＣファブリック、ＰＶＣ／ＰＶＤＦ混合ファブリックまたはＰＶＤＦファブリックから成る隔膜である。ポリフルオロスルホン酸製のメンブラン（たとえば、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）からのナフイオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）４３０メンブラン）も代替品として使用することができる。

本発明でコーティングされたグラファイト電極を用いた電解に際して使用される塩酸は、たとえば、ポリイソシアネートのような有機化合物の合成で得られるものであることが好ましい。塩酸を電解セルに投入する前に、塩酸から不純物（特に有機不純物）を除去するのが有効であることを見出した。これは塩酸を活性炭を用いて処理することによって行われる。場合によっては、オゾンまたは抽出剤を用いて処理してもよい。無機不純物はイオン交換法で除去することができる。

本発明を以下の実施例によって詳細に例示する。

実施例１（比較例）
ＰＶＣ隔膜およびコーティングされていない２つのグラファイト電極（ＣＯＶＡ社のＡＸ−２０）を備えた電解セルを用いて塩酸を電解に付した。各電極は１００ｍｍ×１００ｍｍの面積、６０ｍｍの厚さおよび１３個のスリット（約２ｍｍ幅および１９ｍｍ深さ）によって構造化された（１４）５ｍｍ幅のランドを１４個有していた。２つの電極チャンバーにおいては塩酸を６Ｌ／ｈの速度で内部回路にてポンプ循環させた。カソード表面（垂直面）とアノード表面（垂直面）との間の距離は５ｍｍであり、スリットは垂直方向に設けた。セル・ハウジングは耐酸性および耐塩素性のプラスチック製であった。カソードおよびアノードはセル・ハウジング内に電流供給ピンを用いて封止されていた。ＰＶＣ隔膜でセルを半分割状態に２つに分けた。セルの２つの半分割部分に電解液をポンプ循環させた。ポンプ循環させる電解液の流量は２Ｌ／ｈ〜１０Ｌ／ｈの範囲内で変化させた。電解時に電解液チャンバー内の塩酸濃度が約２０重量％になるように、新しい３０％の塩酸を計量ポンプを用いてこれらの回路に導入した。生じたガスおよび消耗した電解液はガス／液体分離機を介してセルから排出される。電力発生器を用いて、５０Ａの電流、すなわち５ｋＡ／ｍ^２の電流密度を発生させた。得られたセル電圧を２つのグラファイト片を用いて電極の先端で測定し、それぞれ給電中は絶縁した。５日間の稼動後、セル電圧は７５℃の温度で１．９７ボルトであった。

ＰＶＣ隔膜をデュポン社のナフイオン（登録商標）４３０陽イオン交換膜と交換した。７日間の稼働後では、セル電圧は８１℃の温度で１．９９ボルトであった。

実施例２（比較例）
０．２８６ｇの塩化イリジウム（ＩＶ）水和物（ＩｒＣＩ_４・Ｈ_２Ｏ、Ｉｒ含有量５２．２３重量％）を１．２４５ｍｌの１，２−エタンジオールに溶解させた。ペイントブラシ（paintbrush）を用いて、得られた溶液の全部を、実施例１と同じ構造およびサイズを有するグラファイト電極の１４個のランド表面（各５ｍｍ×１００ｍｍ）に、均一に塗布した。塗布したイリジウムの量は、グラファイト電極（１００ｍｍ×１００ｍｍ）の幾何学的面積を基準として、１５．０ｇ／ｍ^２であった。約１５分後、側面をこの溶液で処理し、（次いで電解における陰極）をブタン／プロパンガスバーナの炎を用いて５分間加熱した。５分後に４５０℃の温度に達した。尚、点火前にはプレートは予めバーナ下におかれるように配置しておいた。９０℃未満の温度なるように冷却した後、グラファイト電極のランド表面に、１．２４５ｍｌの１，２−エタンジオール（金属塩が添加されていない１，２−エタンジオール）を均一にコーティングし、次いで加熱を直ちに再開した（待機時間なしで再開した）。このグラファイト・プレートを実施例１の電解セル内のカソードとして設置した。６Ｌ／ｈの電解液流量でもってＰＶＣ隔膜を用いると、得られたセル電圧は、８日間一定に保持され、５ｋＡ／ｍ^２の電流密度で７５℃の温度で１．７７ボルトであった。

実施例３（本発明の実施例）
０．２８９ｇの塩化イリジウム（ＩＶ）水和物（ＩｒＣＩ_４・Ｈ_２Ｏ、Ｉｒ含有量５２．２３重量％）を１．５１２ｇの脱イオン水に溶解させた。ペイントブラシを用いて、得られた溶液の全部を、実施例１と同じ構造およびサイズを有するグラファイト電極の１４個のランド表面（各５ｍｍ×１００ｍｍ）に塗布した。これにより、グラファイト電極（１００ｍｍ×１００ｍｍ）の面積基準で１５．０ｇ／ｍ^２のイリジウム塗布量を得た。その後すぐに、コーティングされた電極ブロックを、１５ｃｍの内径および約５Ｌの内容積を有する垂直チューブオーブン中で処理した。尚、電極ブロックには、最初、室温で３０分間「５体積％の水素と９５体積％の窒素からなるガス状混合物」を５０Ｌ／ｈの体積流速で流した。次にオーブンを約１０℃／分の速度で２５０℃まで加熱し、電極ブロックを３時間ガスを流しながら焼き戻した。次にオーブン加熱を止め、電極ブロックをガスを流しながら冷却した。約３時間後オーブン温度は１００℃未満の温度にまで冷却され、その後ガス流を止め、閉じたオーブンをさらに一晩で５０℃未満の温度にまで冷却した。そして、電極を取り出すためにオーブンを開けた。

仕上がったグラファイト電極を実施例１の電解セル内のカソードとして設置した。６Ｌ／ｈの電解液流量でもってＰＶＣ隔膜を用いると、稼動５日目での得られたセル電圧は、５ｋＡ／ｍ^２の電流密度で７５℃の温度で１．５９ボルトであった。かかる実験を１５０日まで電流密度および温度を遮断および変更しながら続けたが、質の低下はみられなかった。

実施例４（本発明の実施例）
０．２８９ｇの塩化イリジウム（ＩＶ）水和物（ＩｒＣＩ_４・Ｈ_２Ｏ、Ｉｒ含有量５２．２３重量％）を１．５２５ｇの脱イオン水に溶解させ、実施例３のようにグラファイト電極のランド表面に塗布した。次のオーブン中での処理も実施例３のように行った。尚、実施例３と相違する点は、オーブンを４５０℃の温度まで加熱し、この温度における処理時間を２時間にしたことである。

仕上がったグラファイト電極を実施例１の電解セル内のカソードとして設置した。６Ｌ／ｈの電解液流量でもってＰＶＣ隔膜を用いると、稼動８日目で得られたセル電圧は、５ｋＡ／ｍ^２の電流密度で７４℃の温度で１．７３ボルトであった。かかる実験を４５日まで温度を遮断および変更しながら続けたが、質の低下はみられなかった。

実施例５（本発明の実施例）
０．１９０ｇの塩化ルテニウム（ＩＩＩ）水和物（ＲｕＣＩ_３・Ｈ_２Ｏ、Ｒｕ含有量４０．０７重量％）および０．１４３ｇの塩化イリジウム（ＩＶ）水和物（ＩｒＣＩ_４・Ｈ_２Ｏ、Ｉｒ含有量５２．２３重量％）を１．５０４ｇの脱イオン水に溶解させた。ペイントブラシを用いて、得られた溶液の全部を、実施例１と同じ構造およびサイズを有するグラファイト電極の１４個のランド表面（各５ｍｍ×１００ｍｍ）に塗布した。これにより、グラファイト電極（１００ｍｍ×１００ｍｍ）の面積基準で７．６ｇ／ｍ^２のルテニウム塗布量および７．５ｇ／ｍ^２のイリジウム塗布量を得た。

オーブン処理を実施例３と同様に行った。

仕上がったグラファイト電極を実施例１の電解セル内のカソードとして設置した。６Ｌ／ｈの電解液流量でもってナフイオン（登録商標）４３０の陽イオン交換膜を用いると、稼動５日目で得られたセル電圧は、５ｋＡ／ｍ^２の電流密度で６７℃の温度で１．６６ボルトであった。

本発明を具体化したある特定の構成を示して説明したが、本質的な発明の概念の精神および範囲から逸脱することなく、それらに種々の変更および改変を加えてよく、ここに示し記載した特定の形態に制限されるものではないことは当業者にとって自明であろう。

上述した全ての引例は、参照することによって本明細書に組み込まれる。

関連出願の相互参照

本出願は、ドイツ特許出願第１０２００７０４４１７１．３号（出願日：２００７年９月１５日出願）の優先権を主張する。当該出願に開示された内容は全て、この引用により本明細書に含まれるものとする。

Claims (14)

1. 貴金属でコーティングされた電解処理用グラファイト電極の製造方法であって、
   （１）貴金属化合物の水溶液でグラファイト電極の表面をコーティングすること、
   （２）溶媒を除去すること、および
   （３）グラファイト電極を１５０〜６５０℃で焼き戻すこと
   を含んで成り、
   前記電解処理が塩酸の電気分解であって、前記貴金属化合物がイリジウムの化合物であり、
   前記グラファイト電極の前記焼き戻しに使用されるガス雰囲気は、不活性ガスとして窒素、希ガスもしくは二酸化炭素、または、該不活性ガスの少なくとも１つと水素とのガス混合物から成り、前記希ガスがヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、ラドンまたはキセノンであり、前記ガス混合物が１〜５．５体積％の水素濃度を有している、製造方法。
2. 前記貴金属化合物が無機酸もしくは有機酸の塩または錯体化合物である、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記貴金属化合物がイリジウムのハロゲン化物、アセテート、オキサレート、ニトレートまたはペンタンジオネートである、請求項２に記載の製造方法。
4. 前記貴金属化合物がイリジウムのハロゲン化合物である、請求項３に記載の製造方法。
5. 前記貴金属化合物がイリジウムの塩化物である、請求項４に記載の製造方法。
6. 前記貴金属化合物が塩化イリジウムである、請求項５に記載の製造方法。
7. 前記塩化イリジウムがＩｒＣｌ_３、ＩｒＣｌ_４、またはＩｒＣｌ_３とＩｒＣｌ_４との混合物である、請求項６に記載の製造方法。
8. 形成される貴金属コーティングが、グラファイト電極面基準で５〜４０ｇ／ｍ^２の貴金属を含んで成る、請求項１に記載の製造方法。
9. 形成される貴金属コーティングが、グラファイト電極面基準で７．５〜２０ｇ／ｍ^２の貴金属を含んで成る、請求項８に記載の製造方法。
10. 前記焼き戻しを２００〜４５０℃で行う、請求項１に記載の製造方法。
11. 前記焼き戻しを２５０〜３５０℃で行う、請求項１０に記載の製造方法。
12. 前記ガス雰囲気が前記ガス混合物であって、該ガス混合物が前記水素と前記窒素または前記希ガスとの混合物である、請求項１に記載の製造方法。
13. 前記焼き戻しの処理時間が１〜５時間である、請求項１に記載の製造方法。
14. 前記処理時間が２〜３時間である、請求項１３に記載の製造方法。