JP6766813B2 - 塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法および塩化アルカリ電解装置の製造方法 - Google Patents
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Description
カルボン酸型官能基に変換できる基を有する含フッ素ポリマーを含む前駆体層と、スルホン酸型官能基に変換できる基を有する含フッ素ポリマーを含む前駆体層とを有するイオン交換膜前駆体膜を、アルカリ金属水酸化物、水溶性有機溶媒および水を含むアルカリ水溶液に浸漬して、カルボン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理してカルボン酸型官能基に変換するとともに、スルホン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理してスルホン酸型官能基に変換することによって、カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーを含む層と、スルホン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーを含む層とを有するイオン交換膜を製造する方法(たとえば、特許文献1、2参照)。
・塩化アルカリを電解する際の電流効率のばらつきが大きくなり、安定して塩化アルカリ電解を実施できない。
・塩化アルカリを電解する際、製造される水酸化アルカリの濃度が高くなると電流効率が低下しやすい、すなわちアルカリ耐性が不充分である。電流効率が低下した場合、電力原単位の上昇、膜交換の頻度が上がることによるランニングコストの上昇、生成する塩素中の酸素濃度が上昇することによる塩素品質の低下、等の大きなデメリットが生じる。
[1]カルボン酸型官能基に変換できる基を有する含フッ素ポリマーを含む前駆体層を有するイオン交換膜前駆体膜を、アルカリ金属水酸化物、水溶性有機溶媒および水を含むアルカリ水溶液に浸漬して、前記カルボン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理してカルボン酸型官能基に変換することによって、カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーを含む層を有する塩化アルカリ電解用イオン交換膜を製造する方法であって;前記カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーにおける前記カルボン酸型官能基を有する構成単位の割合が、前記カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーにおけるすべての構成単位(100モル%)のうち、13.10〜14.50モル%であり;前記カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーを含む層における下記比抵抗の値が、4.0×103〜25.0×103Ω・cmであり;前記カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーを含む層における下記比抵抗のばらつきが、4.0×103Ω・cm以下であり;前記水溶性有機溶媒の濃度が、前記アルカリ水溶液(100質量%)中、1〜60質量%である、塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
比抵抗の値および比抵抗のばらつき:前記塩化アルカリ電解用イオン交換膜中の5点を無作為に選択し、それぞれ前記カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーを含む層における比抵抗を求める。5点の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の比抵抗の平均値を比抵抗の値とする。また、5点の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の比抵抗の標準偏差の2倍の値を比抵抗のばらつきとする。
[2]前記水溶性有機溶媒の濃度が、前記アルカリ水溶液(100質量%)中、5〜50質量%である、[1]に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
[3]前記アルカリ金属水酸化物の濃度が、前記アルカリ水溶液(100質量%)中、1〜60質量%である、[1]または[2]の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
[4]前記アルカリ金属水酸化物の濃度が、前記アルカリ水溶液(100質量%)中、5〜50質量%である、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
[5]前記アルカリ金属水酸化物が、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムである、[1]〜[4]のいずれか一項に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
[6]前記水溶性有機溶媒が、非プロトン性水溶性有機溶媒、アルコール類およびアミノアルコール類からなる群から選ばれる少なくとも1種である、[1]〜[5]のいずれか一項に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
[7]前記水溶性有機溶媒がジメチルスルホキシド、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール、トリエタノールアミン、ジエタノールアミン、イソプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミン、ジメチルアミノエタノールおよびジエチルアミノエタノールからなる群から選ばれる少なくとも1種である、[6]に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
[8]スルホン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーを含む層をさらに有する塩化アルカリ電解用イオン交換膜を製造する方法であって、前記イオン交換膜前駆体膜が、スルホン酸型官能基に変換できる基を有する含フッ素ポリマーを含む前駆体層をさらに有し、前記イオン交換膜前駆体膜を前記アルカリ水溶液に浸漬して、前記カルボン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理してカルボン酸型官能基に変換するとともに、前記スルホン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理して前記スルホン酸型官能基に変換する、[1]〜[7]のいずれか一項に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
[9]前記塩化アルカリ電解用イオン交換膜が、少なくとも一方の最表層に無機物粒子およびバインダーを含む層をさらに有する、[1]〜[8]のいずれか一項に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
[10]前記[1]〜[9]のいずれか一項に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法によって得られた塩化アルカリ電解用イオン交換膜を、陰極および陽極を備える電解槽内を前記陰極側の陰極室と前記陽極側の陽極室とに区切るように前記電解槽内に装着する、塩化アルカリ電解装置の製造方法。
本発明の塩化アルカリ電解装置の製造方法によれば、電流効率が高く、電流効率のばらつきが小さく、アルカリ耐性が高い塩化アルカリ電解装置を効率よく製造できる。
本明細書においては、式(1)で表されるモノマーをモノマー(1)と記す。他の式で表されるモノマーもこれに準じて記す。
「カルボン酸型官能基」とは、カルボン酸基(−COOH)又はカルボン酸塩(−COOM1。ただし、M1はアルカリ金属または第4級アンモニウムである。)を意味する。
「スルホン酸型官能基」とは、スルホン酸基(−SO3H)又はスルホン酸塩(−SO3M2。ただし、M2はアルカリ金属または第4級アンモニウムである。)を意味する。
「カルボン酸型官能基に変換できる基」とは、加水分解処理、酸型化処理等の公知の処理によって、カルボン酸型官能基に変換できる基を意味する。
「スルホン酸型官能基に変換できる基」とは、加水分解処理、酸型化処理等の公知の処理によって、スルホン酸型官能基に変換できる基を意味する。
「含フッ素ポリマー」とは、分子中にフッ素原子を有する高分子化合物を意味する。
「ペルフルオロカーボンポリマー」とは、ポリマー中の炭素原子に結合している水素原子の全部がフッ素原子に置換されたポリマーを意味する。ペルフルオロカーボンポリマー中のフッ素原子の一部は、塩素原子または臭素原子に置換されていてもよい。
「モノマー」とは、重合反応性の炭素−炭素二重結合を有する化合物を意味する。
「構成単位」とは、モノマーが重合することによって形成された該モノマーに由来する単位を意味する。構成単位は、モノマーの重合反応によって直接形成された単位であってもよく、ある構成単位を有するポリマーを形成した後に、該構成単位を化学的に変換することによって該構成単位の一部が別の構造に変換された単位であってもよい。
「一次粒子」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察される最小の粒子を意味する。また、「二次粒子」とは、一次粒子が凝集している粒子を意味する。
「イオン交換膜前駆体膜」とは、加水分解処理される前の膜であり、カルボン酸型官能基に変換できる基を有する含フッ素ポリマーを含む前駆体層を有する膜を意味する。イオン交換膜前駆体膜においては、イオン交換膜中のカルボン酸型官能基は、カルボン酸型官能基に変換できる基の状態である。なお、イオン交換膜がさらにスルホン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーを含む層を有する場合は、スルホン酸型官能基もスルホン酸型官能基に変換できる基の状態である。
「前駆体層」とは、カルボン酸型官能基に変換できる基を有する含フッ素ポリマーからなる層を意味する。前駆体層は、スルホン酸型官能基に変換できる基を有する含フッ素ポリマーからなる層を含んでいてもよい。前駆体層においては、イオン交換膜中のカルボン酸型官能基は、カルボン酸型官能基に変換できる基の状態であり、スルホン酸型官能基は、スルホン酸型官能基に変換できる基の状態である。
本発明の製造方法によって得られる塩化アルカリ電解用イオン交換膜(以下、単に「イオン交換膜」とも記す。)は、カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマー(以下、単に「含フッ素ポリマー(A)」とも記す。)を含む層(以下、単に「層(C)」とも記す。)を有する。
イオン交換膜は、スルホン酸型官能基を有する含フッ素ポリマー(以下、単に「含フッ素ポリマー(B)」とも記す。)を含む層(以下、単に「層(S)」とも記す。)をさらに有していてもよい。
イオン交換膜は、少なくとも一方の最表層に無機物粒子およびバインダーを含む層(以下、単に「無機物粒子層」とも記す。)をさらに有していてもよい。
イオン交換膜においては、層(S)と層(C)との間、層(S)中、または層(C)中に補強材が埋め込まれていてもよい。
イオン交換膜1は、第1の無機物粒子層10と、含フッ素ポリマー(A)を含む層(C)12と、含フッ素ポリマー(B)を含む層(S)14と、第2の無機物粒子層16とを順に有する。
イオン交換膜1は、電解槽内において、第1の無機物粒子層10が陰極に面し、第2の無機物粒子層16が陽極に面するように配置される。
イオン交換膜1の形および大きさは、イオン交換膜1を装着する電解槽に応じて適宜決定すればよい。
含フッ素ポリマー(A)を含む層(C)は、高い電流効率を発現する。層(C)は、補強材が埋め込まれた層であってもよい。層(C)としては、電解性能の点から、補強材等の含フッ素ポリマー(A)以外の材料を含まない含フッ素ポリマー(A)のみからなる層が好ましい。層(C)は、単層であってもよく、多層であってもよい。多層の層(C)としては、たとえば、各層において、含フッ素ポリマー(A)を構成する構成単位の種類やカルボン酸型官能基を有する構成単位の割合を異なる構成としたものが挙げられる。
含フッ素ポリマー(A)としては、下記のモノマー(1)に基づく構成単位と、下記のモノマー(2)またはモノマー(2’)に基づく構成単位とを有する含フッ素ポリマー(以下、単に「含フッ素ポリマー(A’1)」とも記す。)を加水分解処理して、Yを−COOM(ただし、Mはアルカリ金属である。)に変換した含フッ素ポリマー(以下、単に「含フッ素ポリマー(A1)」とも記す。)が好ましい。
CF2=CX1X2 ・・・(1)
CF2=CF(OCF2CFX3)nO(CF2)mY ・・・(2)
CF2=CF(CF2)p−(O)q−(CF2CFX4)r−(O)s−(CF2)t−(CF2CFX5)u−Y ・・・(2’)
モノマー(1)としては、CF2=CF2、CF2=CFCl、CF2=CFCF3等が挙げられ、イオン交換膜の化学的耐久性の点から、CF2=CF2が好ましい。
mは、1〜5の整数である。
nは0または1である。
pは、0または1であり、qは0または1であり、rは0〜3の整数であり、sは0または1であり、tは0〜12の整数であり、uは0〜3の整数であり、かつ1≦r+uである。
CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2COOCH3、
CF2=CFOCF2CF2COOCH3、
CF2=CFOCF2CF2CF2COOCH3、
CF2=CFOCF2CF2OCF2CF2COOCH3、
CF2=CFOCF2CF2CF2CF2CF2COOCH3、
CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2CF2COOCH3。
含フッ素ポリマー(A)におけるカルボン酸型官能基を有する構成単位の割合が前記範囲の下限値以上であれば、塩化アルカリを電解する際のアルカリ耐性が高いイオン交換膜を得ることができる。含フッ素ポリマー(A)におけるカルボン酸型官能基を有する構成単位の割合が前記範囲の上限値以下であれば、塩化アルカリを電解する際の電流効率が高いイオン交換膜を得ることができる。
溶液重合では、各モノマーを一括で仕込んでもよいが、逐次的にあるいは連続的に添加して反応させることもできる。生成する含フッ素ポリマーの組成を均一化するという観点からは、各モノマーを逐次的にあるいは連続的に添加して各モノマーの濃度を一定に制御しながら反応させることがよい。
このように溶液重合によって得られた含フッ素ポリマー(A)は、他の重合方法と比較して生成する含フッ素ポリマーの組成が均一になる傾向にある。溶液重合によって得られた含フッ素ポリマー(A)は、組成が均一であり、最適な組成から外れるポリマー分子が少なくなるため、幅広い運転領域の下で安定して電流効率を発現することが可能となる。
イオン交換膜の電流効率は、陰極側から陽極側へのアニオンの移動量が大きいとき、または陽極側から陰極側へのカチオンが移動しにくいときに低くなる。
層(C)の比抵抗の値が最適な範囲であれば、陰極側から陽極側へのアニオンの移動を防ぐことができ、高い電流効率が発現する。しかし、最適範囲より比抵抗の値が低くなると、陰極側から陽極側へアニオンが移動し、電流効率が低下する。一方で、最適範囲より比抵抗の値が高くなると、陽極側から陰極側へのカチオンの移動の妨げとなり、電流効率の発現が不安定となり電流効率が低下する。
含フッ素ポリマー(B)を含む層(S)は、イオン交換膜の機械的強度を保持するのに寄与する。層(S)には、イオン交換膜の機械的強度が高まる点から、補強材が埋め込まれていることが好ましい。補強材を埋め込む場合、層(C)でなく層(S)に埋め込むことで、電解性能に影響を与えることなく、補強効果を得ることができる。層(S)は、単層であってもよく、多層であってもよい。多層の層(S)としては、たとえば、各層において、含フッ素ポリマー(B)を構成する構成単位の種類やスルホン酸型官能基を有する構成単位の割合を異なる構成としたものが挙げられる。
層(S)に補強材を埋め込む場合、層(S)を多層とし、製造時にそのいずれかの層間に補強材を挿入し、次に多層化することによって、補強材が埋め込まれるようにすることが好ましい。
含フッ素ポリマー(B)としては、下記のモノマー(1)に基づく構成単位と、下記のモノマー(3)に基づく構成単位とを有する含フッ素ポリマー(以下、単に「含フッ素ポリマー(B’1)」とも記す。)を加水分解処理して、Zを−SO3M(ただし、Mはアルカリ金属である。)に変換した含フッ素ポリマー(以下、単に「含フッ素ポリマー(B1)」とも記す。)が好ましい。
CF2=CX1X2 ・・・(1)
CF2=CF(OCF2CFX4)sO(CF2)tZ ・・・(3)
モノマー(1)としては、CF2=CF2、CF2=CFCl、CF2=CFCF3等が挙げられ、イオン交換膜の化学的耐久性の点から、CF2=CF2が好ましい。
sは、1〜3の整数である。
tは、0〜3の整数である。
CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2CF2SO2F、
CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO2F、
CF2=CFOCF2CF2CF2SO2F、
CF2=CFOCF2CF2SO2F。
含フッ素ポリマー(B)におけるスルホン酸型官能基を有する構成単位の割合が前記範囲の下限値以上であれば、イオン交換膜の電気抵抗が低くなり、電解電圧を低くできる。含フッ素ポリマー(B)におけるスルホン酸型官能基を有する構成単位の割合が前記範囲の上限値以下であれば、分子量の高い含フッ素ポリマー(B)の合成が容易であり、また、含フッ素ポリマー(B)の膨潤が抑えられる。
層(S)に補強材を埋め込む場合、図1に示すように層(S)を多層としてその間に補強材を埋め込むことが好ましい。この場合、電解電圧を低減させやすい点から、補強材よりも陽極側の第2の層(S2)(図1における14b)を構成する含フッ素ポリマー(B)におけるスルホン酸型官能基を有する構成単位の割合XS2は、補強材よりも陰極側の第1の層(S1)(図1における14a)を構成する含フッ素ポリマー(B)におけるスルホン酸型官能基を有する構成単位の割合XS1と同等か、それよりも高いことが好ましい。
層(S)を多層とする場合、各層を形成する含フッ素ポリマー(B)は、同じであってもよく、異なっていてもよい。
層(S)に補強材を埋め込む場合、補強材よりも陰極側の第1の層(S1)の厚さは、45〜140μmが好ましく、60〜100μmがより好ましい。
イオン交換膜は、少なくとも一方の最表層に無機物粒子(以下、「無機物粒子(P)」とも記す。)およびバインダーを含む無機物粒子層を有していてもよい。
イオン交換膜の最表層に無機物粒子層を設けることによって、イオン交換膜の表面にガスが付着することが抑制され、その結果、塩化アルカリ水溶液の電解の際に電解電圧が高くなることが抑えられる。また、無機物粒子層は、バインダーを含んでいるため、無機物粒子(P)の脱落耐性に優れており、他の部材等との摩擦が生じた場合等でも無機物粒子(P)が脱落しにくく、ガス付着抑制効果が安定して得られる。
スルホン酸基を有する含フッ素ポリマー(H)としては、モノマー(1)に基づく構成単位とモノマー(3)に基づく構成単位とを有するコポリマーを加水分解処理し、ついで酸型化処理してZを−SO3Hに変換したポリマーが挙げられる。
イオン交換膜の層(S)側の表面に設ける無機物粒子層に含まれるバインダーとしては、陽極側に設けられる公知の親水化層(ガス解放層)に用いられる公知のバインダーを採用でき、たとえば、メチルセルロース等が挙げられる。また、イオン交換膜の層(C)側の表面に設ける無機物粒子層に用いられるバインダーも同様に用いることができる。
補強材とは、イオン交換膜の強度を向上させるために用いられる材料であり、イオン交換膜の製造工程において、補強布が埋設された含フッ素ポリマーを含む前駆体層を有するイオン交換膜前駆体膜を、アルカリ水溶液に浸漬することにより、補強布中の犠牲糸の少なくとも一部が溶出して形成された補強布由来の補強糸と任意に含まれる犠牲糸とから形成される材料である。補強材は、犠牲糸の一部が溶解した場合は補強糸と溶解残りの犠牲糸とからなり、犠牲糸の全部が溶解した場合は補強糸のみからなる。すなわち、補強材は、補強糸と任意に含まれる犠牲糸とから形成される材料である。補強材はイオン交換膜中に埋設されており、補強布が埋設されたフッ素系ポリマーからなる前駆体膜を、アルカリ水溶液に浸漬することにより形成される。
補強材の原料となる補強布は、イオン交換膜の強度を向上させるための補強材の原料として用いられる布であり、織布、不織布、フィブリル、多孔体等が挙げられ、機械的強度の点から、織布が好ましい。補強布が織布である場合、織布は、補強糸と犠牲糸が製織されてなることが好ましい。補強布の補強糸と犠牲糸は、それぞれ経糸と緯糸に製織され、これらの経糸と緯糸は、平織等の通常の製織法による場合は直交している。補強糸の材料としては、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEとも記す。)等の含フッ素ポリマーが挙げられる。犠牲糸の材料としては、ポリエチレンテレフタレート(以下、PETと記す。)が挙げられる。
イオン交換膜の電流効率は、96.0%以上が好ましい。イオン交換膜の電流効率が高いことにより塩化アルカリを効率よく電解することができる。
イオン交換膜の電流効率は、実施例に記載の方法によって測定する。ただし、測定に用いた装置については、同様の機能を有する装置に置き換えてもよい。
本発明のイオン交換膜の製造方法は、カルボン酸型官能基に変換できる基を有する含フッ素ポリマー(A’)を含む前駆体層(C’)を有するイオン交換膜前駆体膜を、アルカリ金属水酸化物、水溶性有機溶媒および水を含むアルカリ水溶液に浸漬して、カルボン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理してカルボン酸型官能基に変換することによって、カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマー(A)を含む層(C)を有するイオン交換膜を製造する方法であって;含フッ素ポリマー(A)におけるカルボン酸型官能基を有する構成単位の割合が、含フッ素ポリマー(A)におけるすべての構成単位(100モル%)のうち、13.10〜14.50モル%であり;層(C)における比抵抗の値が、4.0×103〜25.0×103Ω・cmであり;層(C)における比抵抗のばらつきが、4.0×103Ω・cm以下であり;水溶性有機溶媒の濃度が、アルカリ水溶液(100質量%)中、1〜60質量%である方法である。
工程(a):含フッ素ポリマー(A’)を含む前駆体層(C’)を有するイオン交換膜前駆体膜を得る工程。
工程(b):工程(a)で得られたイオン交換膜前駆体膜を、アルカリ金属水酸化物、水溶性有機溶媒および水を含むアルカリ水溶液に浸漬して、カルボン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理してカルボン酸型官能基に変換する工程。
工程(a)においては、含フッ素ポリマー(A’)を含む前駆体層(C’)を有するイオン交換膜前駆体膜を製造する。イオン交換膜前駆体膜は、必要に応じて、含フッ素ポリマー(B’)を含む前駆体層(S’)をさらに有していてもよい。
イオン交換膜前駆体膜は、含フッ素ポリマー(A’)を用いた公知の方法によって製造できる。前駆体層(S’)をさらに有する場合は、さらに含フッ素ポリマー(B’)を用いた公知の方法によって製造できる。前駆体層(S’)をさらに有する場合、または、前駆体層(C’)もしくは前駆体層(S’)が多層である場合は、各層を積層することによって製造できる。
含フッ素ポリマー(A’)としては、上述した含フッ素ポリマー(A’1)が好ましい。含フッ素ポリマー(B’)としては、上述した含フッ素ポリマー(B’1)が好ましい。
加水分解処理後に得られる含フッ素ポリマー(A)におけるカルボン酸型官能基を有する構成単位の割合が前記範囲の下限値以上であれば、塩化アルカリを電解する際のアルカリ耐性が高いイオン交換膜を得ることができる。加水分解処理後に得られる含フッ素ポリマー(A)におけるカルボン酸型官能基を有する構成単位の割合が前記範囲の上限値以下であれば、塩化アルカリを電解する際の電流効率が高いイオン交換膜を得ることができる。
工程(b)においては、イオン交換膜前駆体膜を、アルカリ金属水酸化物、水溶性有機溶媒および水を含むアルカリ水溶液に浸漬して、カルボン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理してカルボン酸型官能基に変換する。イオン交換膜前駆体膜が前駆体層(S’)をさらに有する場合は、カルボン酸型官能基に変換できる基をカルボン酸型官能基に変換すると同時に、スルホン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理してスルホン酸型官能基に変換する。
アルカリ金属水酸化物の濃度は、アルカリ水溶液(100質量%)中、1〜60質量%が好ましく、3〜55質量%がより好ましく、5〜50質量%がさらに好ましい。アルカリ金属水酸化物の濃度が前記範囲内であれば、加水分解処理が速やかに進行する。
水の濃度は、アルカリ水溶液(100質量%)中、39〜80質量%が好ましく、45〜70質量%がより好ましい。
アルカリ水溶液の温度が前記範囲の下限値以上であれば、電解電圧が低く抑えられ、加水分解処理が速やかに完了し、イオン交換膜の生産性が向上する。アルカリ水溶液の温度が前記範囲の上限値以下であれば、電流効率が高く、塩化アルカリを電解する際の電流効率のばらつきが小さいイオン交換を得ることができる。
イオン交換膜前駆体膜をアルカリ水溶液に浸漬する時間は、5分〜3時間が好ましく、2時間以内がより好ましく、1時間以内がさらに好ましい。
工程(b)の加水分解処理によって形成される層(C)の比抵抗のばらつきを上述した範囲の上限値以下とするためには、イオン交換膜前駆体膜が浸漬されるアルカリ水溶液の温度を上述した範囲の上限値以下とすればよい。
このように、各調整因子が前述範囲に該当することで、塩化アルカリを電解する際の電流効率およびアルカリ耐性が高い塩化アルカリ電解用イオン交換膜を効率よく製造できる。
イオン交換膜前駆体膜が無機物粒子層をさらに有する場合、無機物粒子層は、無機物粒子(P)とバインダーと分散媒とを含む塗布液(以下、「塗布液(D)」とも記す。)を、イオン交換膜の層(C)もしくは層(S)、またはイオン交換膜前駆体膜の層(C’)もしくは層(S’)の表面に塗布し、加熱等によって分散媒を除去して乾燥することによって形成できる。
また、無機物粒子層は、無機物粒子(P)とバインダーと分散媒とを含むペースト状の塗布液(D)を転写基材に塗布して無機物粒子層を形成し、これを、イオン交換膜の層(C)もしくは層(S)、またはイオン交換膜前駆体膜の層(C’)もしくは層(S’)の表面に転写することによって形成できる。
塗布液(D)中の無機物粒子(P)の平均二次粒子径は、無機物粒子(P)の平均一次粒子径、分散処理の処理時間等を調節することで制御できる。
また、分散媒としては、ジメチルスルホキシド、ホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド等の非プロトン系極性溶媒を用いてもよい。非プロトン系極性溶媒は、沸点が140℃以上、含フッ素ポリマー(A)および含フッ素ポリマー(B)の融点以下であり、かつ融点が25℃以下であるものが好ましい。
非プロトン系極性溶媒を用いる場合、非プロトン系極性溶媒を配合した塗布液(D)を調製して塗布してもよく、非プロトン系極性溶媒以外の分散媒(アルコール系溶媒等)を用いた塗布液(D)を調製して塗布した後に、非プロトン系極性溶媒を塗布してもよい。
非プロトン系極性溶媒を用いる場合、塗布液(D)(100質量%)中の非プロトン系極性溶媒の含有量は、1〜70質量%が好ましく、10〜50質量%がより好ましい。
ロールプレス機を用いる場合、加える圧力は、動力の削減の点では、0.2MPa以下の線圧とすることが好ましい。
また、加熱温度は、含フッ素ポリマー(A)および含フッ素ポリマー(B)の融点未満が好ましい。これによって、膜厚が不均一となることを抑制しやすくなる。
以下、本発明のイオン交換膜の製造方法の実施形態の一例を、図1のイオン交換膜1を例にとり説明する。
イオン交換膜1は、たとえば、下記の工程(a)〜(c)を有する方法によって製造できる。
工程(a):第2の無機物粒子層16、含フッ素ポリマー(B’)を含む第2の前駆体層(S’2)、補強布、含フッ素ポリマー(B’)を含む第1の前駆体層(S’1)、および含フッ素ポリマー(A’)を含む前駆体層(C’)をこの順に有する第2の無機物粒子層付きイオン交換膜前駆体膜を得る工程。
工程(b):第2の無機物粒子層付きイオン交換膜前駆体膜を、水、水酸化カリウムおよびジメチルスルホキシドを含むアルカリ水溶液に浸漬して、カルボン酸型官能基に変換できる基およびスルホン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理してカルボン酸型官能基およびスルホン酸型官能基に変換するとともに、補強布中の犠牲糸の少なくとも一部を溶解させて、第2の無機物粒子層16、第2の層(S2)14b、補強材18、第1の層(S1)14aおよび層(C)12をこの順に有する複合膜を得る工程。
工程(c):無機物粒子(P)とバインダーと分散媒とを含む塗布液を複合膜における層(C)12の表面に塗布して第1の無機物粒子層10を形成し、イオン交換膜1を得る工程。
工程(a):
イオン交換膜前駆体膜を得る方法としては、たとえば、下記の手段(i)〜(iv)を有する方法が挙げられる。ただし、含フッ素ポリマー(A’)としては、加水分解処理後に得られる含フッ素ポリマー(A)におけるカルボン酸型官能基を有する構成単位の割合が上述した範囲内となるものを用いる。
(ii)単層押出用のフィルムダイを用いて、含フッ素ポリマー(B’)の単層フィルムを得る手段。
(iii)積層フィルムの含フッ素ポリマー(B’)の層側に、補強布、単層フィルムを順に重ね合わせ、これらを加熱圧着し、イオン交換膜前駆体膜を得る手段。
(iv)分散媒(メチルセルロース水溶液等)に無機物粒子を分散させたペーストを転写基材に塗布して無機物粒子層を形成し、これをイオン交換膜前駆体膜の層(S’)側に転写し、第2の無機物粒子層16を形成する手段。
イオン交換膜前駆体膜をアルカリ水溶液に浸漬して、カルボン酸型官能基に変換できる基およびスルホン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理してカルボン酸型官能基およびスルホン酸型官能基に変換し、また、同時にイオン交換膜前駆体膜に埋設された補強布中の犠牲糸の少なくとも一部を溶解して補強材とし、複合膜を得る。ただし、アルカリ水溶液の組成および温度は、上述した範囲内とする。
無機物粒子(P)とバインダーと分散媒とを含む塗布液(D)を複合膜における層(C)12の表面に塗布する。その後、加熱等によって分散媒を除去して乾燥することによって第1の無機物粒子層10を形成し、イオン交換膜1を得る。
なお、イオン交換膜1の製造方法は、前記実施形態に限定されない。
たとえば、工程(b)の前に工程(c)を行う方法であってもよい。
また、工程(a)において含フッ素ポリマー(A)および含フッ素ポリマー(B)を用いる場合は、工程(b)を行わなくてもよい。
また、層(C)と層(S)の積層フィルムの層(C)の表面に、塗布液(D)によって第1の無機物粒子層を形成した後に、層(S)の表面に第2の無機物粒子層を積層する方法であってもよい。
また、第2の無機物粒子層を、第1の無機物粒子層と同様に塗布液(D)を塗布して形成する方法であってもよい。
層(C)の比抵抗にばらつきが生じる原因としては、イオン交換膜前駆体膜におけるカルボン酸型官能基に変換できる基を加水分解する際の反応系内のアルカリ水溶液の温度や液組成の変動が原因と考えられる。このような変動は、ロット間はもちろんだが、同一ロット内でも発生し得る。
本発明者らは鋭意検討した結果、加水分解時の温度や液組成を調整することより層(C)の比抵抗のばらつきを抑えることができることを見出した。例えば、温度を低くしたり、加水分解の液組成をポリマーが膨潤しにくい状態としたりすることにより、加水分解が比較的ゆっくり進行し、層(C)の膨潤度が一定となり、層(C)の比抵抗も小さくなる傾向にある。電流効率の安定化には層(C)の比抵抗のばらつきが小さいことが非常に重要であり、層(C)比抵抗がちいさくなることにより、電流効率のばらつきの小さいイオン交換膜を安定的に製造することができる。
本発明の塩化アルカリ電解装置の製造方法は、本発明のイオン交換膜の製造方法によってイオン交換膜を得て、該イオン交換膜を、陰極および陽極を備える電解槽内を陰極側の陰極室と陽極側の陽極室とに区切るように電解槽内に装着する方法である。
塩化アルカリ電解装置100は、陰極112および陽極114を備える電解槽110と、電解槽110内を陰極112側の陰極室116と陽極114側の陽極室118とに区切るように電解槽110内に装着されるイオン交換膜1とを有する。
イオン交換膜1は、層(C)12が陰極112側、層(S)14が陽極114側となるように電解槽110内に装着する。
陰極室116を構成する材料としては、水酸化ナトリウムおよび水素に耐性がある材料が好ましい。該材料としては、ステンレス、ニッケル等が挙げられる。
陽極室118を構成する材料としては、塩化ナトリウムおよび塩素に耐性がある材料が好ましい。該材料としては、チタンが挙げられる。
たとえば、塩化ナトリウム水溶液を電解して水酸化ナトリウム水溶液を製造する場合は、塩化アルカリ電解装置100の陽極室118に塩化ナトリウム水溶液119を供給し、陰極室116に水または水酸化ナトリウム水溶液121を供給し、陰極室116から排出される水酸化ナトリウム水溶液122の濃度を所定の濃度(たとえば32質量%)に保ちながら、塩化ナトリウム水溶液を電解する。
陰極室116から排出される水酸化ナトリウム水溶液の濃度は、20〜40質量%が好ましい。
電解槽110内の温度は、50〜120℃が好ましい。
電流密度は、1〜6kA/m2が好ましい。
本発明における塩化アルカリ電解装置は、隔膜として本発明のイオン交換膜の製造方法によって得られたイオン交換膜を備えたものであればよく、隔膜以外の構成は、公知のものであってもよい。
電解槽は、イオン交換膜を挟んで陰極室と陽極室とを交互に並べ、陰極室同士と陽極室同士とが電気的に並列になっている単極型であってもよく、陰極室の背面と陽極室の背面とが電気的に接続され、各室が電気的に直列になっている複極型であってもよい。
例1〜8は実施例であり、例9〜16は比較例である。
含フッ素ポリマー(A’)または含フッ素ポリマー(B’)の約0.5gを、溶融させて平板プレスしてフィルム状に成形し、これを透過型赤外分光分析装置により分析し、得られたスペクトルのCF2ピーク、CF3ピーク、OHピークの各ピーク高さを用いて、含フッ素ポリマー(A’)または含フッ素ポリマー(B’)におけるカルボン酸型官能基に変換できる基またはスルホン酸型官能基に変換できる基を有する構成単位の割合を算出し、これを、加水分解処理後に得られる含フッ素ポリマー(A)または含フッ素ポリマー(B)におけるカルボン酸型官能基またはスルホン酸型官能基を有する構成単位の割合とした。
層(C)の比抵抗は、以下のようにして求めた。
まず、乾燥させたイオン交換膜の層(C)の厚さt(cm)を測定した。イオン交換膜の最表層に無機物粒子層を有する場合は、無機物粒子層を拭き取って除去した。25質量%の水酸化ナトリウム水溶液に浸したイオン交換膜を90℃で16時間加温し、25℃へ戻した。イオン交換膜を、1.77cm2の有効面積を有する抵抗測定用セルに入れ、2つの白金黒電極の間に組み込み、セル内に25質量%の水酸化ナトリウム水溶液を静かに注ぎ入れ、セル内を25℃にコントロールした。電極に接続してある白金端子に、デジタルマルチメータZM2353(NF回路設計ブロック社製)を接続し、1000Hzの交流電流を流した。
イオン交換膜が層(C)以外の層を有さない場合は、イオン交換膜について液抵抗込みの膜抵抗値RM(Ω)を測定した。そのまま、セルから静かにイオン交換膜を抜き取り、液抵抗RE(Ω)を測定した。比抵抗R(Ω・cm)を下式より求めた。
R=(RM−RE)×1.77/t
イオン交換膜が層(C)以外の層を有する場合は、イオン交換膜について液抵抗込みの膜抵抗値RM1(Ω)および液抵抗RE1(Ω)を同様に測定した後、イオン交換膜から層(C)を剥がし、層(C)のない膜とした。25質量%の水酸化ナトリウム水溶液に浸した層(C)のない膜について、同様に液抵抗込みの膜抵抗値RM2(Ω)および液抵抗RE2(Ω)を測定した。層(C)の比抵抗R’ (Ω・cm)を下式より求めた。
R’={(RM1−RE1)−(RM2−RE2)}×1.77/t
イオン交換膜中の5点を無作為に選択し、それぞれ層(C)における比抵抗を求めた。5点のイオン交換膜の比抵抗の平均値を比抵抗の値とした。また、5点のイオン交換膜の比抵抗の標準偏差の2倍の値をばらつきとした。
比抵抗の値およびばらつきを求めるために選択される5点は、イオン交換膜中の無作為の点である。1枚のイオン交換膜の同一平面から選択する場合には、測定点は0.01m2につき1点の割合で選択することが好ましく、0.02m2につき1点の割合で選択することがより好ましく、0.5m2につき1点の割合で選択することがさらに好ましく、1.0m2につき1点の割合で選択することが特に好ましい。また、別のイオン交換膜間で測定する場合には、同一条件下で製造された5枚のイオン交換膜から各1点ずつ選択することが好ましい。実施例又は比較例においては、1枚のイオン交換膜の同一平面から0.02m2につき1点の割合で選択した。
電解槽(有効通電面積:25cm2)としては、陰極室の供給水入り口を陰極室下部に配し、生成する水酸化ナトリウム水溶液出口を陰極室上部に配し、陽極室の塩化ナトリウム水溶液入口を陽極室下部に配し、反応により希釈された塩化ナトリウム水溶液出口を陽極室上部に配したものを用いた。
陽極としては、チタン製のパンチドメタル(短径:4mm、長径:8mm)に酸化ルテニウムと酸化イリジウムと酸化チタンとの固溶体を被覆したものを用いた。
陰極としては、SUS304のパンチドメタル(短径:5mm、長径:10mm)にルテニウム入りラネーニッケルを電着したものを用いた。
電解槽にイオン交換膜を、電解槽内を陰極側の陰極室と陽極側の陽極室とに区切るように、かつイオン交換膜の第1の無機物粒子層が陰極に面し、イオン交換膜の第2の無機物粒子層が陽極に面するように装着した。
陽極とイオン交換膜とが接触するように陰極側を加圧状態にし、290g/Lの塩化ナトリウム水溶液および水をそれぞれ陽極室および陰極室に供給しながら、陽極室から排出される塩化ナトリウム濃度を200g/L、陰極室から排出される水酸化ナトリウム濃度を32質量%に保ちつつ、温度:90℃、電流密度:6kA/m2の条件で1週間電解を行い、1週間後の電流効率を測定した。また、電流効率のばらつきは、同一条件で製造した5枚のイオン交換膜の電流効率を測定し、それらの標準偏差の2倍の値をばらつきの値とした。
電解槽にイオン交換膜を、電解槽内を陰極側の陰極室と陽極側の陽極室とに区切るように、かつイオン交換膜の第1の無機物粒子層が陰極に面し、イオン交換膜の第2の無機物粒子層が陽極に面するように装着した。
陽極とイオン交換膜とが接触するように陰極側を加圧状態にし、290g/Lの塩化ナトリウム水溶液および水をそれぞれ陽極室および陰極室に供給しながら、陽極室から排出される塩化ナトリウム濃度を200g/L、陰極室から排出される水酸化ナトリウム濃度を32質量%に保ちつつ、温度:90℃、電流密度:6kA/m2の条件で3日間以上電解を行い、電流効率を測定した。
陰極室から排出される水酸化ナトリウム濃度を、32質量%から40質量%まで2質量%間隔で増加させた4点の水酸化ナトリウム濃度に変更した以外は、各水酸化ナトリウム濃度について、それぞれ前記手法と同様にして電解を行い、各水酸化ナトリウム濃度において電流効率を測定した。
電流効率を縦軸、水酸化ナトリウム濃度を横軸としてグラフを作成し、上記で測定した水酸化ナトリウム濃度と電流効率の各点をプロットした。電流効率が94%を超え94%に最も近い点と、電流効率が94%を下回り94%に最も近い点、の2点を直線で結び、該直線上で電流効率94%の時の水酸化ナトリウム濃度を算出し、該水酸化ナトリウム濃度の値をアルカリ耐性の濃度とした。なお、いずれかの点の電流効率が94%であった場合は、その点をアルカリ耐性の濃度とする。
CF2=CF2とCF2=CFOCF2CF2CF2COOCH3とを共重合させて含フッ素ポリマー(A’1−1)〜(A’1−6)を得た。加水分解処理後に得られる含フッ素ポリマー(A)におけるカルボン酸型官能基を有する構成単位の割合を表1に示す。
CF2=CF2とCF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO2Fとを共重合させて含フッ素ポリマー(B’1−1)(加水分解処理後に得られる含フッ素ポリマー(B)におけるスルホン酸型官能基を有する構成単位の割合:15.29モル%)を得た。
CF2=CF2とCF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO2Fとを共重合させて含フッ素ポリマー(B’1−2)(加水分解処理後に得られる含フッ素ポリマー(B)におけるスルホン酸型官能基を有する構成単位の割合:17.76モル%)を得た。
工程(a):
2台の押出機、共押出用のフィルムダイおよび引き取り機を備えた装置を用いて、含フッ素ポリマー(A’1−1)からなる厚さ12μmの層(C’)と、厚さ68μmの含フッ素ポリマー(B’1−1)の層とが積層された積層フィルム(1)を得た。
単層押出用のフィルムダイを用いて、厚さ30μmの含フッ素ポリマー(B’1−1)の単層フィルム(2)を得た。
第2の無機物粒子層付きイオン交換膜前駆体膜を、ジメチルスルホキシド/水酸化カリウム/水=5.5/30/64.5(質量比)のアルカリ水溶液に、75℃で浸漬し、加水分解処理することによってカルボン酸型官能基に変換できる基、スルホン酸型官能基に変換できる基をそれぞれ、カルボン酸型官能基(−COOK)、スルホン酸型官能基(−SO3K)に変換し、乾燥させて、イオン交換複合膜を得た。
含フッ素ポリマー(B’1−2)を加水分解処理し、ついで酸型化処理しスルホン酸基(−SO3H)に変換し、エタノールに溶解させ、9.5質量%のエタノール溶液を調製した。該エタノール溶液に無機物粒子として酸化ジルコニウム(平均一時粒子径0.4μm)を10.8質量%加え、バインダー比を0.25とし、参加ジルコニウムの平均二次粒子径が1.3μmの塗布液(D)を得た。
複合膜における層(C)の表面に、塗布液(D)をスプレー法によって塗布し、第1の無機物粒子層を付着させ、イオン交換膜を得た。
イオン交換膜におけるカルボン酸型官能基およびスルホン酸型官能基をそれぞれカリウム塩型からナトリウム塩型に変換し、イオン交換膜の評価を行った。結果を表1に示す。
含フッ素ポリマー(A’1)の種類、工程(b)で使用されるアルカリ水溶液の温度、ジメチルスルホキシドの濃度、水酸化カリウムの濃度を表1に示すように変更した以外は、例1と同様にしてナトリウム塩型のイオン交換膜を得た。イオン交換膜の評価を行った。結果を表1に示す。
加水分解処理後に得られる含フッ素ポリマー(A)におけるカルボン酸型官能基を有する構成単位の割合が高すぎる例14および16においては、得られたイオン交換膜を用いて塩化アルカリを電解する際の電流効率が低かった。
ジメチルスルホキシドを含まないアルカリ水溶液を用いて加水分解処理した例15においては、加水分解処理に50時間以上かかり、イオン交換膜を効率よく製造できなかった。
なお、2015年9月8日に出願された日本特許出願2015−176814号の明細書、特許請求の範囲、図面および要約書の全内容をここに引用し、本発明の開示として取り入れるものである。
Claims (10)
- カルボン酸型官能基に変換できる基を有する含フッ素ポリマーを含む前駆体層を有するイオン交換膜前駆体膜を、アルカリ金属水酸化物、水溶性有機溶媒および水を含むアルカリ水溶液に浸漬して、前記カルボン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理してカルボン酸型官能基に変換することによって、カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーを含む層を有する塩化アルカリ電解用イオン交換膜を製造する方法であって、
前記カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーにおける前記カルボン酸型官能基を有する構成単位の割合が、前記カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーにおけるすべての構成単位(100モル%)のうち、13.10〜14.50モル%であり、
前記カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーを含む層における、下記比抵抗の値が、4.0×103〜25.0×103Ω・cmであり、かつ下記比抵抗のばらつきが、3.8×103Ω・cm以下であり、
前記水溶性有機溶媒の濃度が、前記アルカリ水溶液(100質量%)中、1〜60質量%である、塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
比抵抗の値および比抵抗のばらつき:前記塩化アルカリ電解用イオン交換膜中の5点を無作為に選択し、それぞれ前記カルボン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーを含む層における比抵抗を求める。5点の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の比抵抗の平均値を比抵抗の値とする。また、5点の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の比抵抗の標準偏差の2倍の値を比抵抗のばらつきとする。 - 前記水溶性有機溶媒の濃度が、前記アルカリ水溶液(100質量%)中、5〜50質量%である、請求項1に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
- 前記アルカリ金属水酸化物の濃度が、前記アルカリ水溶液(100質量%)中、1〜60質量%である、請求項1または2に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
- 前記アルカリ金属水酸化物の濃度が、前記アルカリ水溶液(100質量%)中、5〜50質量%である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
- 前記アルカリ金属水酸化物が、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
- 前記水溶性有機溶媒が、非プロトン性水溶性有機溶媒、アルコール類およびアミノアルコール類からなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
- 前記水溶性有機溶媒がジメチルスルホキシド、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、1−メトキシ−2−プロパノール、トリエタノールアミン、ジエタノールアミン、イソプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミン、ジメチルアミノエタノールおよびジエチルアミノエタノールからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項6に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
- スルホン酸型官能基を有する含フッ素ポリマーを含む層をさらに有する塩化アルカリ電解用イオン交換膜を製造する方法であって、
前記イオン交換膜前駆体膜が、スルホン酸型官能基に変換できる基を有する含フッ素ポリマーを含む前駆体層をさらに有し、
前記イオン交換膜前駆体膜を前記アルカリ水溶液に浸漬して、前記カルボン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理してカルボン酸型官能基に変換するとともに、前記スルホン酸型官能基に変換できる基を加水分解処理して前記スルホン酸型官能基に変換する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。 - 前記塩化アルカリ電解用イオン交換膜が、少なくとも一方の最表層に無機物粒子およびバインダーを含む層をさらに有する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載の塩化アルカリ電解用イオン交換膜の製造方法によって得られた塩化アルカリ電解用イオン交換膜を、陰極および陽極を備える電解槽内を前記陰極側の陰極室と前記陽極側の陽極室とに区切るように前記電解槽内に装着する、塩化アルカリ電解装置の製造方法。
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