JP6250531B2 - 塩溶液の減極電気透析用セル - Google Patents
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Description
図面中、陰極半殻1、陽極半殻5によって境界が定められる電気透析セルの一実施形態であって、4つの室、すなわち陰極室A、陰極室Aに隣接する第1の中間室B、陽極室Dに隣接する第2の中間室C、および陽極室Dからなる電気透析セルの一実施形態が示されている。
図面に示される方法により実験用セルを組み立てた。このセルは、AISI 310ステンレス鋼でできた陰極半殻1を含み、その上に壁ストリップ2を取り付け:ストリップ2上には、5および10mmの対角線を有する菱形の開口部を有する厚さ1mmエキスパンドシートでできた集電体3を取り付けた。ストリップ2および集電体3もAISI 310ステンレス鋼でできていた。集電体を、直径0.3mmのニッケルワイヤーコイルの組立体から形成された弾性マット4に接触させ、次にこれを、ガス拡散陰極(GDC)10および多孔質親水性層11からなる組立体に接触させた。GDCは、ポリテトラフルオロエチレン懸濁液中に浸漬し、次に350℃で焼結熱処理を行うことによって防水性にされた黒鉛化カーボンペーパーでできており:マット4に接触する表面とは反対側のカーボンペーパーの表面上には、PTFE粒子および高比表面積炭素上に担持された白金粒子(Vulcan XC−72炭素上の60%白金/Cabot Corporation)の混合物からなる触媒膜をあらかじめ取り付けておいた。GDCの触媒面は20×20cm2であった。接触電気抵抗を最小限にするために、集電体3およびマット4の両方には、厚さ5μmの銀膜をコーティングした。
−陰極室Aは、純酸素または濃縮空気の供給回路、および排出酸化剤ガスの抜き取り回路に接続した。親水性多孔質層11を介して浸透する苛性ソーダが抜き取りされる排出パイプを、室の下部に接続した。中間室Bに供給される塩化ナトリウム溶液の濃度を100〜200g/lの間で変化させることによって、苛性ソーダ濃度を10〜20%の間に調節した;
−中間室Bは、100〜200g/lの塩化ナトリウムの供給回路(下部)、および消費された塩化ナトリウムの抜き取り回路(上部)に接続した;
−中間室Cは、希塩酸の供給回路(下部)および生成物の塩酸(1〜5%)のd抜き取り回路(上部)に接続した;
−陽極室Dは、反応物として使用される水素の供給回路および排出水素の抜き取り回路に接続した。
陰イオン交換膜14の代わりに陽イオン交換膜(Neosepta CM−2)を使用したことを除けば実施例1と同じセルを使用し:この場合、中間室C中で生成した酸の過剰の画分は、このような膜を通過して中間室Bに移動した。この損失の主要部分は、中間室Bを出た塩化ナトリウム溶液を再循環させるのではなく、中間室Cの入口に送る場合に回復することが観察され:実際このようにして、事実上失われる塩酸量は、膜12を通過して移動する画分に限定された。この画分は、驚くべきことに非常に少量であることが分かり:この好ましい効果は、塩化ナトリウムの解離によって形成されるナトリウムイオンの作用に起因し、これによって酸の輸率が大きく減少する。特に、84Aの短絡電流が得られ、これは2.1kA/m2の電流密度に相当し、酸および苛性ソーダの生成物の収率は約80%であった。
親水性多孔質層11の代わりにメッシュ13および15と同等の厚さ0.5mmポリエチレンメッシュを加えることによって、実施例1のセルを修正した。さらに、塩酸希釈溶液を中間室Cの上部に供給し、下部に位置する出口まで浸透させた。全体的に同様の方法で、親水性多孔質層11の代わりに取り付けたメッシュには、上部から希釈苛性ソーダ溶液を供給し、これは下部に浸透するにつれて濃縮され、下部からこれを取り出した。GDAおよびGDCに加わる圧力水頭が顕著に減少し、垂直高さが1メートルを超える工業用セルの製造が可能となるので、この種類の供給を試験した。逆に実施例1および2のセル構造は、GDAおよびGDCへの圧力水頭がより高くなり、これは、中間室BおよびCを出て流れる溶液に関連する動的効果が加わった正味の水頭に相当する。この状況では、最大セル高さが約50〜70cmに限定され、さもなければガス拡散電極の内部構造でフラッディングが生じ、その結果性能が低下する。短絡電流は75Aであり、これは約1.9kA/m2の電流密度に相当する。
膜14およびメッシュ13を除去してセル構造を単純化し、GDA9および膜12によって境界が定められる1つの中間室で運転して、実施例1の試験を繰り返した。この場合、残りの中間室に、中性pHで200g/lを超える濃度の塩化ナトリウム溶液が1パスで供給される場合には、約75%の酸および苛性ソーダの生成の収率が得られ、依然として工業用途に許容されると考えられた。短絡電流は92Aであり、これは2.3kA/m2の電流密度に相当した。
硫酸ナトリウム溶液を使用して実施例1の試験を繰り返すと、10%の硫酸および15%の苛性ソーダが生成された。得られた結果は、生成収率および短絡電流に関しては、塩化ナトリウム溶液からの塩酸および苛性ソーダの生成に関して前述した結果と実質的に同等であった。
Claims (4)
- 陽極半殻および陰極半殻によって境界が定められた、塩溶液を電気透析して対応する酸を含有する溶液及び対応する塩基を含有する溶液を製造するための電解セルであって:
−前記陽極半殻とガス拡散陽極とによって境界が定められ、水素が供給される1つの陽極室;
−前記陰極半殻と陽イオン交換膜によって境界が定められ、酸素または酸素含有ガスが供給される1つの陰極室、ここで前記陰極半殻と前記陽イオン交換膜との間にガス拡散陰極が配置されており;
−前記ガス拡散陽極および前記陽イオン交換膜によって境界が定められる中間室、ここで前記ガス拡散陽極および前記陽イオン交換膜イオンとの間にイオン交換膜が配置され、そして前記イオン交換膜及び陽イオン交換膜はそれらの間に配置されたスペーサーを有する;
−前記中間室内に備えられた、前記塩溶液のための供給および抜き取り用回路;
−前記酸を含有する溶液のための供給および抜き取り用回路;ならびに
−前記塩基を含有する溶液のための供給および抜き取り用回路
を含み、
多孔質平面状要素からなるパーコレーターが前記ガス拡散陽極と前記イオン交換膜との間に配置されており、多孔質平面状要素からなるパーコレーターが前記ガス拡散陰極と前記陽イオン交換膜との間に配置されており、前記酸を含有する溶液のための供給および抜き取り用回路がそれぞれ、前記ガス拡散陽極と前記イオン交換膜との間に配置された前記パーコレーターの上部および下部に接続されており、前記塩基を含有する溶液のための供給および抜き取り用回路がそれぞれ、前記ガス拡散陰極と前記陽イオン交換膜との間に配置された前記パーコレーターの上部および下部に接続されており、前記ガス拡散陽極および前記ガス拡散陰極が電流整流器に接続されていることを特徴とする、
電解セル。 - 前記イオン交換膜が陰イオン交換膜であることを特徴とする、請求項1に記載の電解セル。
- 前記イオン交換膜が陽イオン交換膜であり、前記中間室の抜き取り用回路が、前記ガス拡散陽極と前記イオン交換膜との間に配置された前記パーコレーターの供給用回路に接続されている
ことを特徴とする、請求項1に記載の電解セル。 - 請求項1〜3のいずれかの電解セルを使用することによって、塩溶液を電気透析して対応する酸を含有する溶液及び対応する塩基を含有する溶液を製造する方法であって、
−前記塩溶液を前記中間室の供給用回路に供給し、そして前記塩溶液を前記中間室の抜き取り用回路から取り出す工程、
−前記酸を含有する溶液を、前記ガス拡散陽極と前記イオン交換膜との間に配置された前記パーコレーターの前記供給用回路に供給し、そして前記酸を含有する溶液を、前記ガス拡散陽極と前記イオン交換膜との間に配置された前記パーコレーターの抜き取り用回路から取り出す工程、
−前記塩基を含有する溶液を、前記ガス拡散陰極と前記陽イオン交換膜との間に配置された前記パーコレーターの前記供給用回路に供給し、そして前記塩基を含有する溶液を、前記ガス拡散陰極と前記陽イオン交換膜との間に配置された前記パーコレーターの抜き取り用回路から取り出す工程、
−水素を前記ガス拡散陽極に供給する工程、
−酸素または酸素含有ガスを前記ガス拡散陰極に供給する工程、ならびに
−前記整流器によって電流を調節する工程
を含むことを特徴とする方法。
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