JP6778286B2 - 室枠エレメント、電解槽及び電気透析槽 - Google Patents

室枠エレメント、電解槽及び電気透析槽 Download PDF

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Description

本発明は電解槽用の室枠エレメント並びにその室枠エレメントを用いた電解槽及び電気透析槽に関する。
塩の分離プロセス、リチウム水酸化物の製造プロセス、有機電気分解プロセス、次亜塩素酸の製造プロセス等において、三室電解等が用いられている。三室電解槽の基本構造は、陽極室と、中間室と、陰極室とを備え、陽極室に陽極が収容され、陰極室に陰極が収容され、陽極室と中間室との間が、陰イオン交換膜により陰イオンを通過可能に隔てられ、陰極室と中間室との間が、陽イオン交換膜により陽イオンを通過可能に隔てられている構造を単位セルとして備えている（特許文献１）。
このような三室電解槽の従来の中間室は、一般的に金属製の枠（フレーム）を含み、この枠に液体の入口、出口がそれぞれ設けられ、この入口、出口を通して枠内に電解液が流通可能になっているエレメントであった。
三室電解槽の他に、陽極が設けられた陽極室と、陰極が設けられた陰極室と、当該陽極室と当該陰極室との間に設けられた隔膜としてのイオン交換膜とを備える二室電解槽がある。また、かかる二室電解槽の一つして、膜の一方の面に陽極が設けられ、他方の面に陰極が設けられるようにしたバイポーラ電極と、このバイポーラ電極の陽極側に設けられた陽極室と、上記バイポーラ電極の陰極側に設けられた陰極室との単位セルを、陽極室と陰極室との間に隔膜としてのイオン交換膜が設けられて連続的に配列させた二室電解槽が使用されることもある。さらに、電解プロセスによっては、上述したバイポーラ電極の陽極側に電解室が設けられ、陰極側に電解室が設けられた、隔膜を有していない（無隔膜の）単室電解槽もある。これらの単室電解槽や二室電解槽においても、電解室（陽極室や陰極室や中間室を含めて電解室と総称する。）には金属製の枠が用いられていた。
また、金属製ではなく、樹脂製の枠により形成されたエレメントからなる電解室も一部にはあった。
さらに、電気透析を行う電気透析槽においても、金属製の枠が用いられていた。
特開２０１５−１８２００８号公報
従来の電解槽の電解室は、この枠に設けられた入口、出口にマニホールドを接続すること等のために、枠は、その厚さ、すなわち、三室電解槽の中間室の場合には陽極室や陰極室の電極に向かう方向の寸法に、ある程度の厚さを必要としていた。この電解室の枠の厚さは、電解処理時において、その電解室に隣接する陽極室の陽極と、当該電解室に隣接する陰極室の陰極との間に加えられる電圧の降下を生じさせていた。電圧の降下量は、電解時の消費電力と直接的に関わるものである。また、電圧の降下は、電解室室内の電解液を発熱させるので、電圧の降下量が多いほど冷却するためにエネルギーを余計に消費することになる。したがって、電圧降下はできるだけ抑制することが望まれているところ、上述した枠の厚さのために、降下抑制には限度があった。
また、従来の電解槽の電解室の枠は、金属製であるがゆえに、電解時はアースとの間に漏れ電流が生じ、金属腐食が生じていた。そのため、金属腐食の対策として犠牲電極が電解室の枠又は当該枠に溶接されている金属ケーシングに電気的に接続されるように電解槽に設けられていた。しかし、犠牲電極は、定期的に交換する必要があるにもかかわらず、電解槽の設備に溶接されているので、容易に交換することができず、その作業コストを要し、また犠牲電極それ自体の材料コストを要していた。
電解室が樹脂のエレメントからなる場合は、漏れ電流による電解室の金属腐食の問題はないが、電解室と外部との電解液の流通については、電解室の内部に設けられたマニホールドを通して行われていた。そのため、マニホールドを形成するために、単位セルを複数配列した電解槽において、すべてのエレメントを貫通する流路が必要であった。また、マニホールドが電解室の内部に設けられた構造のエレメントでは、一般に隣り合うエレメントとの距離が近く、したがってバイパス電流が大きいために無効電力の消費が大きかった。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、従来よりも電圧の降下量が小さく、無効電力の消費が少ない室枠エレメント並びに当該エレメントを備える電解槽及び電気透析槽を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様は、電解槽用又は電気透析槽用の室枠エレメントであって、
袋体と、該袋体の内部空間に収容された枠と、前記袋体における前記枠が収容された部分よりも外側に形成され、配管を取り付け可能な入口及び出口と、を備えることを特徴とする室枠エレメントである。
本発明の第１の態様においては、前記室枠エレメントが、樹脂からなることが好ましい。
また、本発明の第１の態様においては、前記枠が、前記入口から流入された液を枠の内側に通し、枠の内側の液を前記出口に通す流路を有することが好ましい。この流路は、前記枠の外側と内側とに通じる溝若しくは管であるか、又は前記枠が多孔質材料により形成されているものとすることができる。
また、本発明の第１の態様においては、三室電解用の室枠エレメントであることが好ましい。
本発明の第２の態様は、第１の態様の室枠エレメントを備える電解槽である。
本発明の第３の態様は、第１の態様の室枠エレメントを備える電気透析槽である。
本発明によれば、中間室を薄くすることができ、電解時の電圧降下量を少なくすることができる。また、マニホールドが電解室の内部に設けられたものではないから、バイパス電流が小さく、無効電力の消費が少ない。
電解槽の模式的な断面図である。 室枠エレメントの模式的な斜視図である。 本実施形態の室枠エレメントの説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 別の実施形態の室枠エレメントの説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 別の実施形態の室枠エレメントの斜視図である。 室枠エレメントの製造工程の一例を説明する斜視図である。
本発明の室枠エレメント及び電解槽並びに電気透析槽の実施形態を、図面を参照して以下で説明する。なお、以下の説明では、本発明の室枠エレメントの代表例として、三室電解槽の中間室に用いられた室枠エレメントを説明し、また、本発明の電解槽の代表例として、三室電解槽を説明するが、本発明の室枠エレメントは、三室電解槽の中間室に用いられるものに限定されるものではなく、二室電解槽の陽極室や陰極室、単室電解槽の電解室にも同様に用いることができる。また、本発明の電解槽は、三室電解槽に限定されるものではなく、本発明の室枠エレメントが用いられた二室電解槽や単室電解槽とすることもできる。さらに、本発明の室枠エレメントは、電解槽に用いられるものに限られず、電気透析槽に用いることができる。
図１は、本発明の一実施形態の室枠エレメントが用いられる三室電解槽１の模式的な断面図である。図１において、三室電解槽１は、陽極２が収容された陽極室３と、中間室４と、陰極５が収容された陰極室６とを備えている。陽極室３と中間室４との間は、陰イオン交換膜７により陰イオンを通過可能に隔てられている。中間室４と陰極室５との間は、陽イオン交換膜８により陽イオンを通過可能に隔てられている。
かかる三室電解槽１を用いた電気分解の一例を、硫酸ナトリウムの例で説明すると、電解液として硫酸ナトリウム水溶液を中間室４に導入し、陽極２と陰極５との間に通電して電気分解すると硫酸イオンは陰イオン交換膜７を通過して陽極室３に移動し、ナトリウイオンは陽イオン交換膜８を通過して陰極室６に移動する。希釈された水溶液は、中間室４から排出される。
図１のような三室電解槽用の中間室を形成している室枠エレメント４の要部の斜視図を図２に示す。図２の室枠エレメント４は、中央部に開口を有する枠形状を有している。室枠エレメント４の厚さは、当該室枠エレメント４とマニホールドを接続するための配管を取り付けるのに必要な厚さを有している。なお図２は取り付けられる配管とマニホールドの図示を省略している。室枠エレメント４は、樹脂からなることにより、従来の室枠エレメントが金属製である場合に問題となった漏れ電流による腐食を防止できる。
もっとも、単に従来の金属製の室枠エレメントを、形状をそのままで材料を樹脂に変更しただけの室枠エレメント４では、中間室の厚さは変わらず、従来と比べて電気分解中の電圧降下の抑制は至らない。そこで、中間室の厚さを薄くできる本発明の一実施形態の室枠エレメント１４を図３に平面図（同図（ａ））及び側面図（同図（ｂ））で示す。
図３の室枠エレメント１４は、内部空間を有する袋体１４１と、袋体１４１内に収容された枠１４２と、袋体１４１に形成された入口１４３及び出口１４４とを備えている。
袋体１４１は、例えば樹脂フィルムからなり、図示した例では略長方形の平面形状を有している。袋体１４１は、二枚の樹脂フィルムを重ね合わせ、フィルムの周囲を接着剤やヒートシールによりシールして袋状にしている。二枚の樹脂フィルムを用意する代わりに、一枚の樹脂フィルムを折り返して重ね合わせ、折り返し部以外の周囲をシールして袋状としてもよい。樹脂フィルムは、電解液によって腐食されることがない任意の樹脂フィルムを選択することができ、例えば、ポリエチレン、ポリエステル（ＰＥＴ等）、ポリプロピレン等や、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＰＶＣ等の一般的なプラスチック等などを用いることができる。
袋体１４１を形成している二枚の樹脂フィルムの各々の中央部は、隔膜としてのイオン交換膜を対向させるための開口部１４１ａが形成されている。袋体１４１における前記枠が収容された部分よりも外側に、図示した本実施形態においては袋体１４１の長手方向の一方の端部近傍に、入口１４３が形成され、他方の端部近傍には出口１４４が形成されている。
より具体的に、図３に示した本実施形態では、袋体１４１は、袋体１４１の長手方向の端部に、それぞれ略三角形の平面形状の凸部１４１ｂ及び凸部１４１ｃを有し、全体的に略長方形というよりはむしろ六角形の平面形状を有している。この凸部１４１ｂに、入口１４３が形成され、凸部１４１ｃに出口１４４が形成されている。このことにより、入口１４３から袋体１４１内に導入された電解液は、袋体１４１の長手方向の端部において、三角形の凸部１４１ｂの底辺に向けて幅方向に広がるように電解液が流れるので流動性がよく、枠１４２に対してスムーズに流れることができる。また、袋体１４１内の枠１４２から出口１４４に向かう電解液は、三角形の凸部１４１ｃの底辺から出口１４４に、流れが収斂されるように電解液が流れるので、流動性がよく、出口１４４に対してスムーズに流れることができる。なお袋体１４１の凸部１４１ｂや凸部１４１ｃは必須ではなく、電解液が袋体１４１内でスムーズに流れることができれば袋体１４１の長手方向端部の形状は問わない。凸部１４１ｂや凸部１４１ｃを有しない実施形態は後述する。
入口１４３は、袋体１４内に電解液を導入可能な構造を有している。出口１４４は、袋体１４１内の電解液を排出可能な構造を有している。図３に示した例では、入口１４３及び出口１４４は、一枚の樹脂フィルムに開口されることで形成されている。入口１４３及び出口１４４にはそれぞれノズル１４５が取り付けられ、このノズル１４５に樹脂製の配管が接続されるようになっている。図３に示した例では、入口１４３及び出口１４４は、それぞれ１個が設けられているが、入口１４３又は出口１４４は、複数個設けられていてもよい。
袋体１４１内に入口１４３から導入された電解液は、開口部１４１ａに向かって流れ、開口部１４１ａで図１に示した三室電解槽の場合は陰イオン交換膜７及び陽イオン交換膜８によりイオン交換され、イオン交換された後の電解液が出口１４４に向かって流れる。
このような一連の電解分解処理に必要な流量が確保できるように、室枠エレメント１４は、袋体１４１内で電解液の流路が形成されている必要がある。そこで本実施形態の室枠エレメント１４は、袋体１４１の内部空間に枠１４２が設けられている。枠１４２は、樹脂製である。枠１４２の樹脂は、電解液によって腐食されることがない任意の樹脂を選択することができ、例えば、ポリエチレン、ポリエステル（ＰＥＴ等を含む）、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリウレタン等や、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＰＶＣ等の一般的なプラスチック等を用いることができる。
枠１４２の開口の平面形状及び大きさは、袋体１４１の開口部１４１ａの開口の平面形状及び大きさとほぼ同じである。枠１４２の開口と袋体１４１の開口部１４１ａの開口とは、同じ位置に位置合わせされて互いに接着剤等により固着されている。枠１４２は、枠外から枠内に通じる溝もしくは管が形成されているか、又は多孔質となっていて、枠内から枠外に、逆に、枠外から枠内に、電解液が流通可能になっている。図３に示した本実施形態の室枠エレメントでは、枠１４２の表面に、枠内と枠外とに通じる溝１４２ａが形成されている。図示した本実施形態では溝１４２ａが枠１４２における四辺のうち、入口１４３に対向する一辺及び出口１４４に対向する一辺の合計二辺にそれぞれ形成されている。溝の位置、大きさ、個数は図３に示されたものに限定されるものではない。
本実施形態の室枠エレメント１４は、枠１４２の厚さは、電解液の流量を確保できさえすれば最小限の厚さがあれば足りる。したがって、枠１４２の厚さは、必要最小限までできるだけ薄くすることが可能である。電気分解中の電圧降下量は、枠１４２の厚さ及び袋体１４１の樹脂フィルムの厚さの合計によって定まるので、よって本実施形態の室枠エレメント１４は、必要最小限までできるだけ薄くした枠１４２により電圧降下を抑制することができる。
また、室枠エレメント１４は、入口１４３及び出口１４４に接続される配管によって電解液が導入され、排出されるので、複数の単位セルを配列させた構造の電解槽であっても、各単位セルに接続された配管を集合させればよいので、室枠エレメント１４の内部にマニホールドを設ける必要がない。したがって、内部にマニホールドが設けられた中間室のように、すべてのエレメントを貫通する流路は不要であり、単位セルの構造がシンプルになり製造コストも安価で済み、またバイパス電流を小さくすることができるので無効電力の消費も小さくすることができる。
また、室枠エレメント１４は、基本構成が袋体１４１と、枠１４２との二つの部材というシンプルな構造であり、プレス成型により両者を貼り合わせることで容易に製造することができるので、大量生産することが容易であり、この点でも製造コストを低くすることができる。また、大型化も容易である。さらに、室枠エレメント１４は、袋体１４１と、枠１４２とが樹脂からなることにより、従来の室枠エレメントが金属製である場合に問題となった漏れ電流による腐食を防止できる。
図４に、別の実施形態の室枠エレメント２４の斜視図を示す。図４の室枠エレメント２４は、内部空間を有する袋体２４１と、袋体２４１内に収容された枠２４２と、袋体２４１に形成された入口２４３及び出口２４４とを備えている。入口２４３及び出口２４４には、それぞれノズル２４５が取り付けられている。袋体２４１は開口部２４１ａが形成され、枠２４２は溝２４２ａが形成されている。
図４に示した室枠エレメント２４は、樹脂製であり、図３に示した室枠エレメント１４と基本構造が同様である。相違点は、袋体２４１の形状が、長方形の平面形状を有している点である。つまり、図３に示した室枠エレメント１４の袋体１４１が凸部１４１ｂ及び凸部１４１ｃを有しているのに対して、図４に示した本実施形態の室枠エレメント２４の袋体２４１は、凸部を有していない。図４の室枠エレメント２４の枠２４２、入口２４３及び出口２４４は、図３の室枠エレメント１４の枠１４２、入口１４３及び出口１４４と同様の構成を有しているので、先に述べたと重複する説明は省略する。
図４に示した室枠エレメント２４は、図３に示した室枠エレメント１４と同様の効果を有している。すなわち、室枠エレメント２４は、必要最小限まで厚さを薄くした枠２４２により電圧降下を抑制することができ、入口２４３及び出口２４４に接続される配管によって電解液が導入され、排出されるので、内部にマニホールドが設けられた中間室に比べて、すべてのエレメントを貫通する流路が不要であり、単位セルの構造がシンプルになり製造コストも安価で済み、またバイパス電流を小さくすることができるので無効電力の消費も小さくすることができ、基本構成が袋体２４１と、枠２４２との二つの部材というシンプルな構造であり、プレス成型に両者を貼り合わせることで容易に製造することができるので、大量生産することが容易であり、この点でも製造コストを低くすることができる。また、大型化も容易である。さらに、室枠エレメント２４は、袋体２４１と、枠２４２とが樹脂からなることにより、従来の室枠エレメントが金属製である場合に問題となった漏れ電流による腐食を防止できる。
図５に、別の実施形態の室枠エレメント３４の斜視図を示す。図５の室枠エレメント３４は、内部空間を有する袋体３４１と、袋体３４１内に収容された枠３４２と、袋体３４１に形成された入口３４３及び出口３４４とを備えている。入口３４３及び出口３４４には、それぞれノズル３４５が取り付けられている。袋体３４１は開口部３４１ａが形成され、枠３４２は溝３４２ａが形成されている。
図５に示した室枠エレメント３４は、樹脂製であり、図３に示した室枠エレメント１４と基本構造が同様である。相違点は、袋体２４１の形状が、略直方体の箱型の形状を有している点である。図４の室枠エレメント３４の枠３４２、入口３４３及び出口３４４は、図３の室枠エレメント１４の枠１４２、入口１４３及び出口１４４と同様の構成を有しているので、先に述べたと重複する説明は省略する。
室枠エレメント３４は、樹脂製であり、図３に示した室枠エレメント１４と同様の作用効果を有している。すなわち、室枠エレメント３４は、必要最小限まで厚さを薄くした枠３４２により電圧降下を抑制することができ、入口３４３及び出口３４４に接続される配管によって電解液が導入され、排出されるので、内部にマニホールドが設けられた中間室に比べて、すべてのエレメントを貫通する流路が不要であり、単位セルの構造がシンプルになり製造コストも安価で済み、またバイパス電流を小さくすることができるので無効電力の消費も小さくすることができ、基本構成が袋体３４１と、枠３４２との二つの部材というシンプルな構造であり、プレス成型に両者を貼り合わせることで容易に製造することができるので、大量生産することが容易であり、この点でも製造コストを低くすることができる。また、大型化も容易である。さらに、室枠エレメント３４は、袋体３４１と、枠３４２とが樹脂からなることにより、従来の室枠エレメントが金属製である場合に問題となった漏れ電流による腐食を防止できる。
図３〜５から理解されるように、袋体は種々の形状とすることができる。
室枠エレメントの製造方法の一例を、図４に示した室枠エレメント３４の場合について図６を用いて説明する。
図６（ａ）に示すように、樹脂フィルムから袋体３４１を作成する。袋体３４１を作成する方法・装置は公知の方法、装置を用いることができる。後で枠３４２を袋体３４１の内部空間に挿入できるように、袋体３４１の少なくとも一面は、開放できるようにしておく。
次に、図６（ｂ）に示すように、袋体３４１に、電流を流すための開口３４１ａを、対向する２面の両方に形成する。
次に、図６（ｃ）に示すように、袋体３４１に入口３４３及び出口３４４を形成し、入口３４３及び出口３４４のそれぞれにノズル３４５を取り付ける。なお、図６（ｂ）に示した開口３４１ａの形成と、入口３４３及び出口３４４の形成との順序は任意であり、入口３４３及び出口３４４の形成を先に行った後で、開口３４１ａの形成をしてもよい。
次に、図６（ｄ）に示すように、袋体３４１内に枠３４２を挿入して相互に固着させ、また袋体３４１の外周部を接着剤やヒートシールにより封止する。
以上、本発明の室枠エレメントを、図面を用いて説明したが、かかる説明及び図面は一例を示したものであり、本発明はこれらに限定して解釈されるものではない。各実施形態で説明されている作用効果を奏することができれば、各種の設計変更等の変形が加えられた実施の態様も本発明の範囲内に包含される。例えば、三室電解槽は、パイポーラ電極を用いたものであってもよい。また、電解槽に用いられる実施形態について説明したが、本発明の室枠エレメントは、電気透析槽に用いられるものであってもよい。
１ 三室電解槽電解
２ 陽極
３ 陽極室
４ 中間室（室枠エレメント）
５ 陰極
６ 陰極室
７ 陰イオン交換膜
８ 陽イオン交換膜
１４、２４、３４ 室枠エレメント
１４１、２４１、３４１ 袋体
１４２，２４２，３４２ 枠
１４３，２４３、３４３ 入口
１４４、２４４、３４４ 出口
１４５、２４５、３４５ ノズル

Claims (7)

  1. 電解槽用又は電気透析槽用の室枠エレメントであって、
    袋体と、該袋体の内部空間に収容された枠と、前記袋体における前記枠が収容された部分よりも外側に形成され、配管を取り付け可能な入口及び出口と、を備えることを特徴とする室枠エレメント。
  2. 樹脂からなる請求項１記載の室枠エレメント。
  3. 前記枠が、前記入口から流入された液を枠の内側に通し、枠の内側の液を前記出口に通す流路を有する請求項１又は２記載の室枠エレメント。
  4. 前記流路が、前記枠の外側と内側とに通じる溝若しくは管であるか、又は前記枠が多孔質材料により形成されている請求項３記載の室枠エレメント。
  5. 三室電解槽用である請求項１〜４のいずれか一項に記載の室枠エレメント。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の室枠エレメントを備える電解槽。
  7. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の室枠エレメントを備える電気透析槽。
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