JPS5846549B2 - 電解法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電解の進行に伴なって被処理液の電導塵が低
下する系の電解法に関するものである。

陰極１１と陽極１２との間に多孔質膜またはイオン交換
膜よりなる隔膜１３を二枚または三枚設置し、これらの
膜によって両極室１４．１５より隔離された一つまたは
二つの中間室１６．１６ａ、１６ｃ（ただし、二つの中
間室１６ａ、１６ｃを持つ場合には少なくともその一方
）に原料物質を含む液を流通させつつ通電することによ
って、原料物質を分解させる方法が各稲荷なわれている
。

たとえば、有機酸塩を電解して有機酸とアルカリを得る
方法や、有機物と電解質の混合溶液中の電解質を分解・
透析して除去する方法などである。

このような電解プロセスの中には、分解が進んで原料物
質の濃度が低下するにしたがって液の電導塵が低下する
場合が多い。

一般に、両極液としては電導塵の高い液を用いることが
できるので、電解に要する電圧は中間室を流れる供給液
の電導塵に大きく左右される。

本発明は、このような場合に効率よく電解を行なうため
の供給液の分配の方法に関するものである。

一般に、このような場合に用いられる電解装置は、陽極
と陰極および両極の間に設置された２枚または３枚の隔
膜よりなる単位セルの数個ないし数十個を電気的に並列
または直列に接続して一次群とし、次に一次群を数個な
いし数十個直列または並列に接続して戒る二次群を一つ
の電源装置に接続して構成される。

まれには、一つの電源装置に複数個の二次群を接続して
一つの装置とすることもある。

このように一つの電解装置を構成する数十ないし数百の
セルはすべて共通の一つの電源に接続される。

一方、原料物質を含む供給液は通常一つの供給源よりす
べてのセルに分配され、セル内で電解処理されたあと再
び集められる。

もちろん原料物質を含む原料液（原液）は一過的に処理
される場合もあれば処理液の一部あるいは全部を原液に
加えて供給液とする循環法をとる場合もある。

電解プロセスの中には、処理液中に原料物質が比較的多
量に残存してもよい場合、すなわち分解率が低くてもよ
い場合も多い。

このような場合には、一つの電解装置を構成する個々の
セルに供給される供給液の量に多少の不均等があっても
さしつかえがない。

しかしながら、たとえば有機酸塩を電解によりイオン交
換して遊離の酸を得ようとするプロセスでは、未分解の
塩の存在がその後の工程や製品の品質に悪い影響をおよ
ぼす場合が多い。

このような場合には、電解装置を高い分解率が得られる
ように運転しなければならない。

そして、高い分解率を必要とする場合にもしも個々のセ
ルの流量が不均等であると、不都合な結果を生じる。

そのわけを次に説明する。はじめに述べたように、すべ
てのセルはたがいに電気的に接続されているので、個々
のセルに通じる電気量を、その流量に応じて自由に変え
ることはできない。

そのために、流量が多すぎるセルでは分解が不十分にな
り、一方、流量の少なすぎるセルでは分解に必要な量よ
り多い電流が流れるので、電流効率が低下する。

そこで、高い分解率を保つためには、流量の多いセルに
合わせてすべてのセルの電流量を増さなければならない
が、そうすると、流量の少ないセルでは無効な電流がさ
らに増すことになる。

もちろん、電流を増せば電圧も必ず高くなる。

その上、分解が進むにつれて液の電導塵が低下するので
、流量の少なすぎるセルでは、より高い電圧を必要とす
る。

このように、高い分解率を必要とする電解プロセスでは
、流量の不均等によって生じる電流効率の低下と電圧の
上昇が重なって、消費電力が大巾に増大する。

般には、セルの入口で流路を狭くするなどの方法で、あ
る程度流量を均等化することが行なわれるが、その程度
の対策では、高い分解率を望む場合に十分な精度は得ら
れない。

隔膜を三枚設置して二つの中間室を持つ電解セルを用い
る場合にも、中間室のうち少なくとも一方には分解率の
高い液が流れる。

例えば、第３ｂ図に示すように三枚の陽イオン交換膜を
設けたセルによって有機酸塩を電解する場合には、まず
陰極側の中間室１６ｃに原液を供給して部分的に分解し
た処理液を直接または一度集めてから陽極側の中間室１
６ａに供給して完全に分解する。

この場合には少なくとも陽極側の中間室１６ａに供給さ
れる原料物質の量は均等でなければならない。

このようなセルの各中間室の使い方はプロセスによって
異なるが、高い分解率を得たい場合には必ず少くとも一
方の中間室に対しては供給液量の等配分が必要となる。

一方、電解槽を構成するセルの数は多く、しかも個々の
セルは比較的小さな構造物であるので、すべてのセルに
高い精度で均等な流量を与えられるような装置を作るこ
とは技術的または経済的に難かしい。

また、このような困難を避けるための方法として、いわ
ゆるバッチ循環法がある。

これは処理液の全量を原液貯槽に戻して、全体が所定の
分解率に達するまで循環をくり返すものである。

これを大流量で行なえば電解装置を一回通過する度に得
られる分解率は低くなるので、流量の不均等による不都
合は生じない。

しかし、一つのバッチの初期と終期では供給液中の原料
物質濃度が大きく違うために装置の能力にも大きな違い
ができるので、電源装置および契約電力量を共に連続式
の場合よりもかなり太きくしなければ平均能力が低くな
ること、またバッチの切り換えのための時間の損失を少
なくするためには大きな循環貯槽が２基必要であること
など、バッチ循環法には不利な点が多い。

本発明者は、分解が進むにつれて液の電導塵が低下する
系について流量の変化が単一セルの性能におよぼす影響
を詳しく研究した結果、高い分解率を得ようとする場合
には、セルの特性は定電圧運転時と、定電流運転時で大
きく異なることを見出した。

そして、この特性の違いを応用すれば、比較的簡単な流
量配分方法で多数のセルからなる電解装置の性能を高め
得ることに思い至り、その原理を実際の装置に適用して
電力消費を節減することに成功した。

以下に詳しくこれを説明する。まず、単一セルの流量と
性能の関係、およびその関係から複合セル間の流量分配
の不均等の影響を推定する方法について説明する。

一定電圧で運転されているセルの流量を変えた時の電流
密度と電流効率の変化は一般に第１図に示したようなも
のである。

すなわち、流量が多い時は電流密度が高く流量が少ない
時は電流密度が低い。

ある一定の電圧下で所定の分解率が得られる時の流量を
■とすると、■より大きい流量では、原料物質の供給量
が増える一方電流密度もいく分高くなる。

流量がＩより小さくなると原料物質の供給量が減るが、
同時に分解率が高くなり液の電導塵は低くなるので電流
密度もいく分減少する。

このように定電圧下では流量の変化に応じて、電流密度
もある程度変化する。

つまり、流量と電流がある程度平衡し合うのである。

そのため、流量が増加しても分解率はさほど低下せず、
また流量が減少しても電流効率はさほど低下しない。

これを複合セルの場合に当てはめると、次のようになる
。

すなわち、たがいに並列接続されたセルあるいはセル群
は常に同じ電圧を受けるので、これらのセル（群）の間
に流量の相異があっても、流量の大きいセル（群）には
多くの電流が流れ、流量の小さいセル（群）に流れる電
流は少ないので全体としての効率はさほど低下しない。

したがって、たがいに並列に接続されたセル（群）の間
には多少流量の不均等があってもよいのである。

一方、定電流で運転されているセルの流量が変化した時
の所要電圧と電流効率の変化は第２図に示したようなも
のである。

ある一定の電流下でほぼ分解が完了するような流量を■
とすると、それより大きい流量では、原料物質の供給量
が増加するのに対して電流量は一定であるから、分解率
は急激に低下する。

流量が■より小さい時には、原料物質の供給量が減少す
るにもかかわらず電流量は一定であるから、無効な電流
が多くなり、電流効率は急激に低下する。

また電圧は急激に高くなることが多い。

すなわち、定電流下では、定電圧の場合のように流量と
電流がバランスし合うことがなく、流量の変動は直ちに
分解率の低下または電流効率の低下をひき起す。

このことを複合セルの場合にあてはめると次のようにな
る。

たがいに直列に接続されたセルまたはセル群には常に同
じ量の電流が流れるので、もしこれらのセル（群）の間
に流量の不均等がある場合、流量の大きいセル（群）で
は分解率が低下し、流量の小さいセル（群）では電流効
率の低下と電圧の上昇が起こる。

このような場合に高い分解率を得ようとすると、電流を
流量の最も大きいセル（群）に合わせて増やさなければ
ならず、その他のセル（群）では無効電流がいっそう増
加する。

例えば、１００％に近い分解率を得たい場合に流量の最
大偏差が平均値の１０％であると、流量が完全に均等な
場合と比較して電流効率はほぼ１０％低下する。

電圧の上昇も考慮に入れると、消費電力は２０％近く増
加する。

つまり、たがいに直列に接続されたセル（群）の間に存
在する流量の不均等は、電力消費に大きな悪影響を及ぼ
すのである。

直列セル（群）間の流量等配分は並列セル（群）間の流
量等配分よりはるかに重要であるという原理は、本発明
者が実際に高分解率で電解装置を運転しつつ研究を重ね
た結果見いだしたものである。

この原理は分解の進行に伴なって電導塵が低下する系を
取扱う限り、すべての場合にあてはまるものである。

本発明は、この原理を応用し、簡素な流量等配分機構を
用いて、電解装置の消費電力を、大巾に節減することに
成功したものである。

次にその方法について述べる。

電解装置を構成するセル１の全数を数個ないし数十個の
一次群２に等分し、各−次群に属するセルをすべて電気
的には並列に接続する。

次に、すべての一次群を電気的に直列に接続して二次群
とし、その両端を直流電源４に接続する。

電源には別の二次群がこれと並列に接続されていてもよ
い。

次に、供給液６の流路を一次群の数と等しい数に分枝し
、それぞれの枝に流量を等配分する機構１０を設ける。

これらの等配分機構としては、例えば定量ポンプ、流量
調節計と自動制御弁の組み合せ、手動弁と流量指示器の
組み合せ等のように直接的に各−次群の流量を調節でき
るものでもよいが、オリフィス、ノズル、ベンチュリー
なとのように、流路の他の部分よりも大きくかつ均一な
圧力損失を発生させることによって等配分を成立させる
もので十分な場合もある。

こうして各−次群に等配分された液を個々のセルに供給
するには、等配分機構の後で分枝して各セル毎に供給回
路を設けてもよいし、あるいは、一次群内のすべてのセ
ルへ通じるマニホールドを設けて、ここへまとめて供給
した後者セルへ分配させてもよい。

そのようなマニホールドを備えた装置もすでに実用化さ
れている。

同じ一次群内の各セルには、それぞれに通じる流路およ
びセル内部の状態が均一でないので必ずしも均等な流量
が与えられないが、これらのセルはたがいに電気的に並
列接続されているので、流量が著しく不均等でない限り
、あまり悪影響がないことは先に説明した通りである。

さらに、各セルの入口または出口に細孔や細管などの簡
単な等配分機構が備えてあれば、より好い結果が得られ
る。

本発明では、原液を一過的に処理するいわゆるワンパス
式または処理液の一部を原液に加えて供給する部分循環
式によって運転する。

このようにして供給された電解装置の運転管理法には、
定電圧または定電流の下で所定の分解率が得られるよう
に全供給量を調節する方法や一定の供給量の下で所定の
分解率が得られるように電圧あるいは電流を調節する方
法などがある。

また、分解率はｐＨ１電導度、屈折率、比重などの測定
値から推定できる場合が多い。

かりに、１０個のセルを並列に接続して一次群とし、１
０の一次群を直列に接続して１００セルより成る電解装
置を構成したとすると、本発明の方法によれば１０組の
流量等配分機構があればよい。

一方、すべてのセルに対して個々に等配分機構を備える
と、１００組の機構が必要となる。

それでも、各−次群ごとの合計流量を管理しなければ、
同じ一次群内の各セルの流量偏差はたがいに打ち消し合
うとは限らないので、一次群のあるものは本発明の方法
の場合よりも大きな流量偏差を持つ可能性があり、高い
費用を掛けても性能は本発明の方法より劣る場合がある
。

個々のセル間の流量等配分よりも一次群間の流量等配分
により重点を置くことおよび一次群内の各セルは並列に
接続しなければならないということが、本発明の骨子で
ある。

もちろん、セル間の等配分機構を併用すれば、さらによ
い結果が得られることはいうまでもない。

本発明の方法で要求される一次群間の流量等配分の精度
は、液が装置内を一回通過するごとに得られるべき分解
率Ｃによって異なる。

Ｃは次式で与えられる。

Ａ：供給液中の原料物質の濃度 Ｂ：処理液中の原料物質の濃度 たとえば、一回の通過で９５％の分解率を得たい場合に
は、各群の流量偏差を５％以内にしなければならない。

それ以上に大きい偏差があると、電力消費が急激に増大
する。

一回で１００％近い分解率を要する時は偏差はゼロでな
ければならないことになるが、それは実現が非常に難か
しい。

そこで、少し大目に見て、（１０５−Ｃ）パーセントを
許容すべき備差の目安とするのがよい。

もちろんこの範囲内であっても、偏差が小さい程よいこ
とはいうまでもない。

等配分機構の選択はその要求精度を勘案して行なわなけ
ればならない。

したがって、循環量を多くして一回当りの分解率を下げ
れば、要求精度も低くなるので簡単な機構でよいことに
なるが、必ずしもそれが有利な方法とはいえない。

なぜならば、処理液の循環量を多くすると供給液中の原
料物質の濃度が低くなるので、電流効率の低下や電圧の
上昇をまねくことが多いからである。

むしろ、精度の高い等配分を行なった上で一過式または
小さな循環比で運転する方が有利な場合が多い。

なお、処理液の分解率がおよそ７０％以下でよい場合に
は、もはや本発明を適用する意義はない。

そのような場合には、小さな循環比でも一回当りの分解
率は５０％以下となり、その場合に必要な等配分は本発
明によらなくても容易に達成されるからである。

本発明は、あくまでも、高い分解率を効率的に達成する
ためになされたものである。

なお、ここでいう処理液の分解率とは、次の式で与えら
れるものをいう。

なお、厳密にいえば、供給液量と処理液量および原液量
と装置から取り出される処理液量（取り出し処理液量）
はいずれも通常等しくないので、上記の分解率の式はい
ずれも近似式である。

従来、本発明で取りあげたような高分解率での電解プロ
セスが実施された例は非常に少なかった。

しかし、今後は、省エネルギーや、廃液の発生を防ぐこ
とのために、イオン交換樹脂によるイオン交換や、電気
透析による脱塩に代えて、電解法を用いるべきプロセス
は数多く存在する。

本発明は、そのような場合に、一次群間だけの等配分に
よって安価な設備で電力の使用効率を高めたり、またセ
ル間の等配分と一次群間の等配分を併用して電力の使用
効率を極限まで高めたりすることを可能にするものであ
り、発明の意義は大きい。

次に、本発明を実施例および比較例に従って具体的に説
明する。

実施例 ＤＳＥ陽極、鉄陰極および両極間に２枚の陽イオン交換
膜を設置した３室法イオン交換膜電解セルの６セルを電
気的に並列接続して一次群とし、２０の一次群を電気的
に直列接続して両端を直流電源に接続した。

この電解装置の陽極液には５重量パーセントの硫酸を用
い、陰極液には８重量パーセントの水酸化ナトリウム水
溶液を用い、いずれも６０℃に保って循環した。

２枚のイオン交換膜で仕切られたイオン交換室には、ア
ラニンのナトリウム塩２００９／１１を含む水溶液（原
液）を供給して電解イオン交換を行ない、遊離のアラニ
ンの水溶液を得ると共にすｌ−ＩＪウムを水酸化ナトリ
ウムとして陰極液中に回収した。

原液の供給路を２０の枝に分け、各校には手動のニード
ルバルブとローターメーターを設けて各校の流量を平均
値に対して±４％の範囲で等しくした。

各ロークーメータを出た液は、各−次群毎に独立したマ
ニホールドに接続し、そこから６つのセルに分配させた
。

各セルの入口は、ｌｍｍＸ５ｍｍの流路で絞られていた
。

セルの単位面積当りの供給量は、毎時０．２５Ａ／ｄｍ
であった。

各群を出た処理液を集めてそのｐＨが７．０となるよう
電圧を調節した。

平均セル電圧は５． Ｉ Ｖ、平均電流密度（ａ１４．
２Ａであった。

処理液の分解率は９７．５％、電流効率は８２．９％、
回収された水酸化ナトＩＪウム１ｋｇ当りの消費電力は
４．９ｋｗｈであった。

比較例 実施例で使用した電解槽のすべてのセルを一つのマニホ
ールドで接続し、このマニホールドに原液を全量供給し
、そこから各セルへ分配させた。

各セルの入口は、ＬｍｖｎＸ５ｍｍの流路で絞られてい
た。

実施例と同じ条件で運転したところ、平均セル電圧は６
．７ Ｖ、平均電流密度は１６．５Ａであった。

電流効率は７１．４％、回収された水酸化ナトリウム１
にｇ当りの消費電力は６．３ｋｗｈであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、単一セルの定電圧特性図の一例である。 第２図は、単一セルの定電流特性図の一例である。 第３ａ図および第３ｂ図は、単一セルの構造の模式図で
ある。 第４図は、本発明の電解槽の電気的接続方法の模式図で
ある。 第５図は、本発明の電解槽の供給液および処理液の流路
構成の模式図である。 図において、１はセル、２は一次群、３は二次群、４は
直流電源、５は原液、６は供給液、７は処理液、８は循
環処理液、９は取出し処理液、１０は流量等配分機構、
１１は陰極、１２は陽極、１３は隔膜、１４は陰極室、
１５は陽極室、１６゜１６ａおよび１６ｃはイオン交換
室である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 陰極と陽極との間に多孔質膜またはイオン交換膜よ
   りなる隔膜を二枚または三枚設けて両極室より隔離され
   た一つまたは二つの中間室を形成した単位セルの一定複
   数を電気的に並列接続して一次群とし、一次群の複数を
   電気的に直列に接続して二次群とし、二次群の両端を直
   流電源に接続し、かつ電解されるべき物質を含む液の流
   路（二つの中間室を持つ場合には、そのおのおのに通ず
   る流路のうちの少なくとも一方）を一次群の数と等しい
   数に分岐し、そのおのおのに流量を等配分させる機構を
   設けた後、これを一つの一次群に属するすべてのセルの
   一方の中間室に接続することによって、各−次群に供給
   される液の量を均等化させることを特徴とする、電解の
   進行に伴なって被処理液の電導塵が低下する系の電解法
   。