JPH0525673A

JPH0525673A - 食塩電解セル及び食塩電解方法

Info

Publication number: JPH0525673A
Application number: JP3204570A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Suematsu; 末▲まつ▼徹也; Kenji Sakamoto; 健二坂本; Masaharu Doi; 正治土井; Setsuo Yoshida; 節夫吉田; Takashi Mori; 隆毛利
Original assignee: Tosoh Corp
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 1991-07-22
Filing date: 1991-07-22
Publication date: 1993-02-02

Abstract

(57)【要約】【構成】陽極室、または、陽極室と陰極室の電解面上部
の容積（Ｖ）と有効電解面積（Ｓ）がＶ／Ｓ≧０．１
（デシメ−タ−）である事を特徴とする食塩電解セルで
構成され、電解電流密度、並びに、陽極室塩水濃度の電
解条件を簡便に幅広く変動し、食塩電解特性を評価可能
である電解セル、及び、該電解セルを用いて気液混合層
を電解面以上に保ちつつ食塩電解を実施する方法に関す
るものである。【効果】本発明が提供する食塩電解セル、及び、該電解
セルを用いて実施する食塩電解方法により、従来は不可
能であった電解電流密度８ｋＡ／ｍ2 以上での安定した
電解評価、並びに、陽極室塩水濃度１５０ｇ／ｌでの安
定した電解評価が実施可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、食塩電解セルに関し、
特に電解電流密度、並びに、陽極室塩水濃度の電解条件
を簡便に幅広く変動し、食塩電解特性を評価可能である
電解セルおよび、該電解セルを用いて気液混合層を電解
面以上に保ちつつ食塩電解を実施する方法を提供するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】含フッ素陽イオン交換膜を隔膜に用い、
食塩水を電気分解する事により、陽極側から塩素を製造
し、陰極側から苛性ソ−ダ並びに水素を製造する技術
は、イオン交換膜法食塩電解技術と呼ばれている。該イ
オン交換膜法食塩電解技術は、従来の水銀法、隔膜法に
比べエネルギ−効率が高く、また高純度の苛性ソ−ダが
製造できる事は一般によく知られている。

【０００３】近年、イオン交換膜法食塩電解の経済性を
上げる試みが広く行われている。イオン交換膜法食塩電
解の経済性を上げる為には、陽極側塩水濃度、電解電流
密度、並びに、陰極側苛性濃度などの電解条件が非常に
重要となる。

【０００４】陽極側塩水濃度は通常２００ｇ／リットル
以上で運転管理が行われているが、原料である食塩の利
用率を上昇させるためには、さらに低い濃度での運転管
理が望まれる。

【０００５】また、電解電流密度は通常３〜４ｋＡ／ｍ
^２で運転管理がなされているが、生産速度を上げるため
には、より高い電解電流密度での運転管理が望まれる。

【０００６】さらに、陰極側苛性濃度は通常３０〜３５
ｗｔ％で運転管理が行われているが、製品苛性濃度（＝
４８ｗｔ％）に近ずける為に、より高い濃度での運転管
理が望まれている。

【０００７】一方、イオン交換膜法食塩電解における電
解電圧、電流効率、及び、透水量などの電解特性は、陽
極室塩水濃度、陰極室苛性濃度、並びに、電解電流密度
により変動し、さらに、含フッ素陽イオン交換膜の寿命
に影響を及ぼす。

【０００８】そのため、経済的な最適運転条件は電解特
性と電解条件の兼ね合いから決定される。この経済的最
適運転条件は、陽極、含フッ素陽イオン交換膜、及び、
陰極の性能によって変化する。これらの材料は幅広く研
究開発がなされており、それぞれに特徴を持つ材料が発
明されている。材料を有効に活用し、イオン交換膜法食
塩電解技術を向上するためには、幅広い電解条件におけ
るイオン交換膜法食塩電解特性を評価する事が極めて重
要である。

【０００９】

【発明の解決しようとする課題】既存の食塩電解セルは
電流密度、陽極側塩水濃度の変動範囲が狭いため、現在
実施されている電解条件での電解特性を検討する上での
問題はないが、より高度な食塩電解技術の確立を目的と
した電解特性の評価をする上では好ましいものではな
い。従って、電流密度、陽極側塩水濃度を簡便に幅広く
変動可能な食塩電解セルが待望されていた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、食塩電解
セルの構造に関し鋭意検討を重ねた結果、陽極室、また
は、陽極室と陰極室の電解面上部の容積（Ｖ）と有効電
解面積（Ｓ）がＶ／Ｓ≧０．１（デシメ−タ−）である
セル構造とする事により、変動可能な電解電流密度範
囲、並びに、陽極室塩水濃度範囲が著しく広がる事を見
いだし、本発明を完成させるに至った。

【００１１】本発明の食塩電解セルは、陽極室、また
は、陽極室と陰極室の電解面上部の容積（Ｖ）と有効電
解面積（Ｓ）がＶ／Ｓ≧０．１（デシメ−タ−）である
事が必須である。Ｖ／Ｓ＜０．１（デシメ−タ−）で
は、電解評価が実施可能な電流密度範囲、塩水濃度範囲
が著しく狭まる。

【００１２】本発明の、Ｖ／Ｓ≧０．１（デシメ−タ
−）とする事により、幅広い電解電流密度、塩水濃度範
囲における電解特性の評価が可能となるかは必ずしも明
かではないが、以下の推察が可能である。

【００１３】陽極室、または、陽極室と陰極室の電解面
上部の容積（Ｖ）と有効電解面積（Ｓ）がＶ／Ｓ＜０．
１（デシメ−タ−）では、電解電流密度の上昇とともに
気液混合層が拡大し、８ｋＡ／ｍ^２以上の電解電流密度
では膜にガス影響が発生し電解電圧が急上昇する。この
ため、食塩電解を安定に実施する事は不可能となる。し
かし、Ｖ／Ｓ≧０．１（デシメ−タ−）では、２０ｋＡ
／ｍ^２という極めて大きな電解電流密度においても気液
混合層を吸収してしまうため何等悪影響を及ぼさず、安
定した食塩電解が実施可能であると推察される。また、
陽極室の塩水濃度を低下するには、供給塩水量を下げる
必要があるが、Ｖ／Ｓ＜０．１（デシメ−タ−）では塩
水供給量が追いつかず、気液混合層が拡大してしまい、
電解電圧が急上昇する。この場合、供給塩水濃度を希釈
する方法があるが、装置の改良が必要となる。しかし、
Ｖ／Ｓ≧０．１（デシメ−タ−）では、電解面上部の容
積増大により気液混合層を吸収して膜へのガス発生影響
を除外してしまうため安定した電解電圧が得られると推
察される。

【００１４】すなわち、食塩電解運転方法においては、
電解時の気液混合層を電解面以上に保つ事が重要とな
る。

【００１５】第１図は本発明の食塩電解小型セルの側面
図の一例を示し、第２図は第１図の破線から見た正面図
を示す。以下、第１図及び第２図を用いて説明する。

【００１６】ここでいう、陽極室、または、陽極室と陰
極室の電解面上部の容積（Ｖ）とは、右斜線で示す容積
を指し、有効電解面積（Ｓ）とは、図２の左斜線で示す
面積を指す。また、電解面以上とは、Ａより上の位置を
指す。

【００１７】例えば、Ｖ／Ｓ≧０．２（デシメ−タ−）
を満たす電解セルとしては、電解面上部の容積を０．０
９ｄｍ^３とし、有効電解面積を０．３６ｄｍ^２，とする
ことでＶ／Ｓ＝０．２５（デシメ−タ−）となる。

【００１８】１は陽極室を示し、材質は液漏れ、ガスリ
−クがない材料を用いる事が必要である事は言うまでも
ないが、発生する塩素ガス腐食を考慮して選定する事が
必要である。この様な材料として、例えば、ガラス、ア
クリル、及び、チタンなどを上げる事が出来る。

【００１９】２は陰極室を示し、材質は耐アルカリ性を
有する事が必要であり、この様な材料としては、例え
ば、ガラス、アクリル、ニッケル等が上げられる。

【００２０】本発明の食塩電解セルには食塩電解を実施
する構成要素、すなわち、陽極５、陰極６、及び、含フ
ッ素陽イオン交換膜３を装備可能である事が必須であ
る。

【００２１】また、含フッ素陽イオン交換膜３と陽極室
１および陰極室２との間に、液漏れ防止用に、例えばЕ
ＰＤＭ製ゴムパッキン４を挟むことが通常実施されてい
る。

【００２２】また、単一の食塩電解セルを用いて、種々
の陽極、陰極、及び、膜についての電解特性の評価を可
能とするために、これらの取り替えが簡便になされる構
造とする事が好ましい。

【００２３】例えば、第１図の様なフィルタ−プレスタ
イプの電解槽構造とする事により、膜の取り替えは容易
に可能となる。さらに、陽極室１と陰極室２に電極を脱
着可能な構造とするためには、シ−ルキャップ及びブッ
シュ７を設けることで対応可能である。例えば、形状が
メッシュの陽極５、及び陰極６の中央部に各々導電棒８
及び９を垂直になるように取り付け固定する事により可
能である。

【００２４】また、陽極室１、並びに、陰極室２の電解
面上部に、それぞれ、電極反応で発生する塩素ガス、水
素ガスの排出口１０及び１１を設ける必要がある。これ
らの、排出口の取り付け部位は電解面Ａより高い位置と
し、その形状等については特に限定はないが、排出口１
０及び１１の面積をそれぞれ２．０ｃｍ^２以上にする事
で本発明の効果がさらに顕著なものとなる。

【００２５】上記の制約を満たすものであれば、陽極室
１と陰極室２の形状は特に限定されない。円筒状、角柱
状などさまざまな形状が適用可能である。

【００２６】上記陽極室１と陰極室２に、陽極５、陰極
６を配し、含フッ素陽イオン交換膜３と組み合わせる事
により、電解セルを組み立てる。例えば、アクリル樹脂
を用いて陽極室１、及び陰極室２を構成し、陽極５はＤ
ＳА、陰極６にはニッケルを用い、含フッ素陽イオン交
換膜３をЕＰＤＭ製ゴムパッキン４を介して組み合わせ
る事により電解セルが組み立て可能である。

【００２７】該電解セルの陽極室１には、供給口１２か
ら精製塩水を供給する。また、陰極室２には、供給口１
３から純水を供給する。

【００２８】電解電流は、直流電源を用いて流し、電源
の端子の＋を導電棒８、−を導電棒９に接続し電流を流
す。

【００２９】陽極室１で生成された塩素ガス及び淡塩水
は、排出口１０より排出され、陰極室２で生成された水
素ガス及び苛性ソ−ダは、排出口１１から排出される。
また、生成苛性ソ−ダの取り出しは、水素ガス及び苛性
ソ−ダの排出口１１より３０〜５０ｍｍＨ2 Оに設定し
陰極側を加圧する事が好ましい。また、図示していない
が、該電解セルには、電解中の電解液温度を効果的に制
御する装置を設ける事が好ましい。例えば、陽極室１に
は、Ｔi ヒ−タ−、テフロン管を取り付けテフロン管に
測温抵抗体及び白金温度計を挿入し、陰極室２には、Ｎ
i ヒ−タ−にテフロン管を取り付けテフロン管に測温抵
抗体及び白金温度計を陽極室１と対称になるように差し
込み、温度調節器により２０℃から電解液沸点までの任
意の範囲において温度制御が可能となる。

【００３０】また、電解運転方法としては、気液混合層
界面１４を電解面Ａ以上に保つ事が必須である。

【００３１】なお、以上食塩電解小型セルを例にとって
説明したが、本発明の提供する食塩電解セル、並びに食
塩電解方法は、食塩電解小型セルのみならず工業的な食
塩電解セル、並びに食塩電解方法としても適用できるこ
とはもちろんである。

【００３２】以上述べたように、本発明の陽極室、また
は、陽極室と陰極室の電解面上部の容積（Ｖ）と有効電
解面積（Ｓ）がＶ／Ｓ≧０．１（デシメ−タ−）である
セル構造を有する食塩電解セルを用いる事により、８〜
２０ｋＡ／ｍ^２の電解電流密度で運転を行っても電解電
圧の幅は２〜４ｋＡ／ｍ^２時と同じ±２０ｍＶと安定し
た電解電圧を示し、幅広い電解電流密度範囲における食
塩電解特性が評価可能となった。また、塩水濃度変動運
転においても、陽極室の塩水濃度を３０ｇ／リットル
と、通常の塩水濃度（約２００ｇ／リットル）よりもず
っと低い濃度で電解しても、電解電圧上昇は見られず、
安定した電解電圧を示し幅広い塩水濃度での食塩電解特
性が評価可能となった。

【００３３】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明を説明するが、
本発明はこれに何等限定されるものではない。

【００３４】実施例１実施例における電解テストは、陽極はペルメレック電極
（株）社製のＤＳАを用い、陰極にはニッケルを用い
た。膜は、デュポン社製のフッ素系陽イオン交換膜、商
品名ナフィオン９０２０９を用いた。陽極と膜は接触さ
せ、膜と陰極間距離は３ｍｍとした。また、陰極側を加
圧し陽極室と陰極室の差圧は４０ｍｍＨ_２Оに設定し
た。電解電流密度及び陽極室塩水濃度は任意に設定し、
苛性濃度は３３ｗｔ％に設定した。また、電解温度は９
０℃に設定し、供給塩水濃度は３００ｇ／リットルとし
た。

【００３５】電解セルは、陽極室、または、陽極室と陰
極室の電解面上部の容積（Ｖ）が０．０９（ｄｍ^３）、
有効電解面積（Ｓ）が０．３６（ｄｍ^２）とし（Ｖ／Ｓ
＝０．２５デシメ−タ−）、材質はアクリル樹脂を用い
て電解電流密度３〜２０ｋＡ／ｍ^２までの運転を行っ
た。この時の陽極室塩水濃度は２００ｇ／リットルで実
施し、各電解電流密度における電解日数は７日間とし
た。

【００３６】まず、電解電流密度を３ｋＡ／ｍ^２で立ち
上げ各濃度を調整後、電解電圧デ−タの取得を行った。
次に、電解電流密度を８ｋＡ／ｍ^２に設定し各濃度を調
整後、電解電圧のデ−タの取得を行った。以下、同じ要
領で順次電解電流密度を２０ｋＡ／ｍ^２まで上げてい
き、各々の電解電流密度での電解電圧の取得を行った。
この時の電解電圧デ−タを第３図に示すが、電解電圧と
電解電流密度は一次の関係を示した。

【００３７】また、電解終了後、膜を観察したところ、
外観、形状等電解前と特に変化は見られなかった。な
お、電解中の気液混合層は常に電解面以上であった。

【００３８】比較例１比較例における電解テストは、陽極はペルメレック電極
（株）社製のＤＳＡ、陰極にはニッケルを用いた。陽極
と膜は接触させ、膜と陰極間距離は３ｍｍとした。ま
た、陰極側を加圧し陽極室と陰極室の差圧は４０ｍｍＨ
_２Ｏに設定した。

【００３９】電解電流密度及び陽極室塩水濃度は任意に
設定し、苛性濃度は３３ｗｔ％に設定した。また、電解
温度は９０℃に設定し、供給塩水濃度は３００ｇ／リッ
トルとした。

【００４０】電解セルは、陽極室、または、陽極室と陰
極室の電解面上部の容積（Ｖ）が０．０２（ｄｍ^３）、
有効電解面積（Ｓ）が０．３６（ｄｍ^２）とし（Ｖ／Ｓ
＝０．０５６デシメ−タ−）、材質はアクリル樹脂を用
いて実施例１と同様に電解テストを実施した。この時の
電解電圧と電解電流密度は８ｋＡ／ｍ^２までは一次の関
係を示したが、電解電流密度を１０ｋＡ／ｍ^２にすると
電圧上昇が見られ、さらに電解電流密度を上げると急激
な電圧上昇がみられたので運転を中止した。この時の電
解電圧を第４図に示す。

【００４１】また、電解終了後、膜を観察したところ、
電解面の数箇所に１〜３ｍｍ程度の水泡が認められた。
なお、電圧上昇時の気液混合層は電解面に達していた。

【００４２】実施例２実施例１と同じセルを用い塩水濃度変動運転を行った。
この時の電解電流密度は３ｋＡ／ｍ^２とし陽極室塩水濃
度を２００〜３０ｇ／リットルまでの運転を行った。苛
性濃度は、１００ｇ／リットルまでは３３ｗｔ％で行な
い１００ｇ／リットル以下は３０〜２８ｗｔ％で運転を
行なった。また、各塩水濃度における電解日数は７日間
とした。

【００４３】まず、陽極室塩水濃度を２００ｇ／リット
ルに設定し電解電圧の取得を行った。次に、陽極室塩水
濃度を１５０ｇ／リットルに設定し電解電圧の取得を行
った。以下、同じ要領で順次陽極室塩水濃度を１２０，
１００，８０，５０，３０ｇ／リットルに下げていき各
々の塩水濃度での電解電圧の取得を行った。この時の電
解電圧を第５図に示す。

【００４４】また、電解終了後、膜を観察したところ、
外観、形状等特に変化は見られなかった。なお、電解中
の気液混合層は常に電解面以上であった。

【００４５】比較例２比較例１と同じセルを用い、実施例２と同様に塩水濃度
変動運転を行なった。陽極室塩水濃度が１５０ｇ／リッ
トルまでは安定した電解電圧を示したが、１２０ｇ／リ
ットルにすると電圧上昇がみられ、１００ｇ／リットル
にすると急激な電圧上昇が見られたので運転を中止し
た。この時の電解電圧を第６図に示す。

【００４６】また、電解終了後、膜を観察したところ、
電解面に１〜３ｍｍ程度の水泡が認められた。なお、電
圧上昇時の気液混合層は電解面に達していた。

【図面の簡単な説明】

【図１】電解セルの構成を示す図である。

【符号の説明】

Ａ電解面１陽極室８陽極の導電棒２陰極室９陰極の導電棒３含フッ素陽イオン交換膜１０塩素ガスの排
出口４ゴムパッキン１１水素ガスの排
出口５陽極１２精製塩水の供
給口６陰極１３純水の供給口７シ−ルキャップ及びブッシュ１４気液混合層界
面

【図２】図１の破線からみた図である。符号は図１と同
じである。

【図３】電流密度による電解電圧の変化を示す図であ
る。（実施例１）

【図４】電流密度による電解電圧の変化を示す図であ
る。（比較例１）

【図５】塩水濃度による電解電圧の変化を示す図であ
る。（実施例２）

【図６】塩水濃度による電解電圧の変化を示す図であ
る。（比較例２）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】陽極室、または、陽極室と陰極室の電解面
上部の容積（Ｖ）と有効電解面積（Ｓ）がＶ／Ｓ≧０．
１（デシメ−タ−）である事を特徴とする食塩電解セル
【請求項２】陽極室、または、陽極室と陰極室の電解面
上部の容積（Ｖ）と有効電解面積（Ｓ）がＶ／Ｓ≧０．
１（デシメ−タ−）である食塩電解セルを用いる食塩電
解において、気液混合層を電解面以上に保つ事を特徴と
する食塩電解方法。