JPS5915990B2 - 液−ガス電気化学槽の改良操作法 - Google Patents

液−ガス電気化学槽の改良操作法

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JPS5915990B2
JPS5915990B2 JP57223093A JP22309382A JPS5915990B2 JP S5915990 B2 JPS5915990 B2 JP S5915990B2 JP 57223093 A JP57223093 A JP 57223093A JP 22309382 A JP22309382 A JP 22309382A JP S5915990 B2 JPS5915990 B2 JP S5915990B2
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    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B1/30Peroxides
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    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気化学槽の改良操作法に関する。
ガス電極たとえば酸素電極は当業技術において周知であ
り、塩素−アルカリ法および過酸化水素製造法を包含す
る多くの方法において有用である。酸素電極は一般に多
孔質である。このような電極において、反応はガスと電
解液と固体電導体との間の3相接触が存在する点におい
て起る。電極効率を最大にするために、3相触媒区域の
面積は最大であるべきである。電極が電解液で満たされ
ていると、電導体へのガスの物質移動速度がおそすぎて
意義あるものではなくなるため有用でない。逆に、電極
がガスで満たされると、電解液が存在しないため取るに
足りない量の反応のみが起るにすぎない。米国特許第3
969201号および同第 4118305号に記載の型式の充てん床電解槽が通常
使用されている。
多孔質隔離板が充てん床電極を隣接電極から分離してお
り、充てん床電極によつて支持されている。隔離板の孔
は十分に大きくて、電解液の充てん床電極開ロへの自由
流通を許す。電気化学反応は電極内でガス一電解液一電
極の界面において起る。液体生成物および未反応電解液
は重力により充てん床電極の底部に流れる。電極が電解
液でほとんど満たされるため、このような槽においては
物質移動が問題である。反応はおそく、生成物のリサイ
クルが必要である。本発明は、液体浸透性の隔離板によ
つて分離された少なくとも2個の電極をもちその電極の
少なくとも1個が隔離板を支持していて多孔質かつ自己
排液性である型式の電気化学槽中で液体をガスと電気化
学的に反応させる方法において;(a)自己排液性電極
の孔の少なくともl部にガスを流通させ、(b)液体と
接触する隔離板の面積を調節することによつて又は液体
に及ぼす圧力を調節することによつて隔離板を流通する
液体の量および率を制御しつつ、電極の排液率にほぼ等
しい率および電極孔の1部分のみを満たすに足る量で、
液体を隔離板を通して自己排液性電極中に制御自在に流
通させ、(c)この液体をガスと電気化学的に反応させ
て少なくとも1種の非揮発性生成物を含む電気化学生成
物を製造し、そして(d)この電気化学生成物を自已排
液性電極から除く、ことを特徴とする方法を提供するも
のである。
多孔質かつ自己排液性である電極それ自体は周知であり
、上記の米国特許第3969201号および同第411
8305号にもこのような自已排液性電極が使用されて
いる。本発明で使用する自已排液性電極もこの種の従来
技術のものと同様のものでありうるが、その詳細につい
ては第1図を参照しての陰極106の説明として以下に
述べる。第1図は隔膜型隔離板をもつ電解槽における本
発明の具体例を示すものである。第2図は本発明の別の
具体例を示すものであり、隔膜型隔離板にカロえてイオ
ン交換膜をもつ電解槽中における具体例である。
本発明の図示する具体例において、第1図は電解槽10
0を示す。
この電極槽は陽極液室に配置された陽極120をもつ。
電解液入口116はこの陽極室に開口している。ガス状
生成物出口122は陽極液室121VC配置されている
。陰極106i1$貫通する多数の孔をもつ電導性多孔
質物質である。
これは焼結した電導性粒子の床または弛んだ粒子の集塊
でありうる。これはガスと液体の両者を流通させるに十
分な大きさおよび数の孔をもつものでなければならない
。この孔はまた非揮発性生成吻が陰極106の下部に重
力によつて流下するに十分な大きさのものでなければな
らない。すなゎち、この陰極は1自己排液性″゛である
べきである。これを別の表現でいえば、この孔は比重が
毛細管圧力よりも電極中の液体に、より大きな効果をも
つように十分に大きなものであると記述することができ
る。この自己排液性の電極はグラフアイト、他の形体の
炭素、またはニツケルや鉄などの金属の粒子(その粒径
は一般には0.005〜0.5cmである)の流動床ま
たは固定床から構成される。固定床の場合は粒子の層か
ら成る固定床でもよくあるいはこれらの粒子の固着した
多孔質マトリツクから成る固定床でもよい。任意に、こ
の陰極はある仕方で支持されうる。たとえば第1図は陰
極用の多孔質スクリーン支持体102を示す。隔膜型隔
離板112は陰極106に対向して配置され且つ陰極1
06によつてまTSは陰極支持体102ffCよつて支
持される。
これは密に充てんされた繊維たとえばアスベストまたは
フロロカーボZ繊維の集塊であることができ、織つたも
のでもまたぱ単にランダムに集塊させたものでもよい。
隔離板112は多層でもよくまたは単層でもよい。然し
ながら、隔離板の材料は通常の操作条件下で接触する化
学薬品に対して実質的に化学的に不活性であるべきであ
る。隔離板は若干制限された液体流通能力をもつように
製作される。隔離板を通る制御されない液体の流れは本
発明においては容認されない。第1図において、陰極室
は陰極支持体102とガス入口104および液状生成物
出口108をもつ背板の内面との間の空間のすべてを占
める陰極106それ自体である。
すなわち陰極液のみを入れた狭義の陰極室は存在せず、
陰極液はすべて陰極106中に含まれている。第2図は
本発明の別の具体例を示す。
この図はイオン交換膜124をもつ電解槽101を示す
。この具体例は第1図に示す電解槽と全く同様にして操
作される。ここでは、イオン交換膜がバリヤーとして働
き、陰極室128への及びそこから外へのイオンの移動
を制御する。第2図においてはイオン交換膜124が存
在して陽極120と隔離板112との間の空間を分割し
ているので、陰極液のみを入れた室すなわち狭義の陰極
室128がイオン交換膜124と隔離板112との間に
存在する。
この場合も陰極液は(第1図の場合と同様に》陰極10
6中にも含まれている。第2図の具体例において、隔離
板112に及ぼす水圧&$第1図の電解槽に関連して述
べたと同様にして制御される。
第1図の具体例については、隔離板と接触する電解液は
隔離板に水圧を及ぼさねばならないが、第2図において
は臨界水圧を及ぼすのは陰極室128中の電解液である
すなわち、隔離板に及ぼす水圧の制御法は第1図の陽極
室121中の電解液118よりもむしろ陰極室128中
の電解液による。本発明において、隔離板112を流通
する液体は陰極106中の孔のl部分のみを満たすに十
分な水準にFbI脚されるべぎである。
多すぎる液体が隔離板を流通して陰極106の孔の実質
的にすべてが満たされると、酸素ガスの存在が最少にな
る。これは電解生成物形成の非常におそい反応という結
果をもたらす。逆に、あまりにも少ない電解液が隔離板
を通過して陰極106の孔の中に入るならば、電気化学
反応は最少になる。本発明の臨界的な面は陰極の孔のほ
とんど完全な充満を防ぐと同時に、陰極の孔から電解液
がほとんど完全になくなるのを防ぐことにある。多孔質
隔離板を流通する液体の容積は次の式によつて決定され
る。
ク =般に液体の粘度は一定であり、本発明を使用する方法
に依存する。
隔離板の構造はその厚さdおよびその浸透性Kを決定す
る。一般に、塩素−アルカリ電解槽に使用する隔膜はI
×10−8〜1×10−10C7!7の浸透性をもつて
いる。
当然にこれは上記の式中の変数と共に変化する。それ故
、隔離板を通して電極に流入する流れを制御するために
は2つの便利な手段がある。
1つの方法は液体と接触する隔離板の面積Aを変化させ
ることであり、第2の方法は隔離板を横切る圧力低下Δ
Pを調節することである。
液体にさらされる隔離板の面積を制御する便利な方法は
隔離板に隣接する液体槽の高さを増大ま―は減少させる
ことである。
この高さが増大すると、隔離板を通る流れが増大する。
逆に、この高さが減少すると、その流れは減少する。隔
離板を通る流れを制御する他の方法は、隔離板を横切る
圧力低下を制御することである。
この圧力低下は数種の方法で制御することができる。隔
離板を横切る圧力低下を制御する1つの方法は、ガスま
たは液体の圧力のもとにある自已排液性電極と対向する
室を操作することである。この方法において、対向する
室は大気圧からシールされ、ガスの圧力または液体の圧
力は電解液に及ぼされる。高圧ポンプを使用して加圧液
体を対向する室に圧入することができ、あるいは加圧ガ
スを室に供給することができる。隔離板を横切る圧力低
下を制御する別の方法は、隔離板の自己排液性電極の側
に真空吸引を行なうことである。
これは電解液を隔離板に向けておよび隔離板を通してそ
して最後に自己排液性電極中に引き入れる。ここに述べ
る方法は液体がガスと反応する任意の方法に使用できる
。それは電気化学槽中において特に有用である。それは
、過酸化水素製造のために、塩素および苛性アルカリの
製造のために、ならびにエネルギー生産(燃料電池)の
ために、使用される槽中において特に有用である。塩素
および苛性アルカリの製造の場合、NaCl塩溶液が入
口116から電解槽100の陽極室中に供給される。
電解液ぱ陽極120および隔膜型隔離板112と接触す
る。水圧がこの電極によつて隔離板112上に及ぼされ
る。酸素含有ガスはガス入口104を通つて自己排液性
陰極106に入る。
このガスは陰極106のΣ孔を通つて流れそこで電解液
との電気化学反応が起る。このガスの少なくとも1部は
このような反応に消費されて水酸化ナトリウムを生じる
。液体の水酸化ナトリウムは重力によつて陰極106の
下部に流下して出口108を通つて除かれる。隔離板1
12に対向する電極の水圧は電解液を隔離板112を通
して多孔質自已排液性陰極106に圧入させる水準に制
御される。実施例 1 アスベスト繊維を含む水性スラリを製造した。
このスラリを多孔質板を通して真空吸引してアスペスト
の実質的部分をこれによつて多孔質板上に析出させた。
隔離板のアスベスト層がーインチ(0.32cm)〜−
インチ(0.5cm)の厚さをもつ4までアスベストを
このように析出させた。このようにして製造した隔離板
を一連の測定にかけて種々のf!f伏ヘッド1P′fお
い〒瞑紺齋ル;函入瘍仕の信速を求めた。その結果は次
のとおりであつた。
本発明はまた過酸化物溶液の電解製造および特にアルカ
リ性過酸化物溶液の製造にも適用可能である。
過酸化物溶液は自然に分解することが知られている。
このような分解の原因は(1)過酸化物自体の自動分解
および(2)過酸化物溶液中の不純物によつて生じる触
媒的分解であると考えられる。自動分解は過酸化物溶液
のPHを約4.5〜5.0に調節することによつてふつ
うには制御され、また触媒的分解は過酸化物溶液に安定
剤を添加することによつて最少にされる。
適当な安定剤はスズ酸塩、リン酸塩および8−ヒドロキ
シキノリンのような物質を包含することが知られている
。(均司ROgenPerOxide;W.C.Sch
umb》CΔ、Satterfield,andR.L
.W也TwOrth:PP535−543、Reinh
OldPubbishingCOrpO−RathOn
3l955)NewYOrk)NewYOrk)0最近
開発された電気化学プロセスはアルカリ性電解液を使用
してアルカリ性過酸化物溶液を製造している。電解液の
高いPHは電解槽での電解中に実質量の過酸化物を分解
させる。すなわち、回収されうる前に分解する過酸化物
を製造することによつて電気エネルギーが浪費される。
この自動分解の問題は通常の触媒的分解の問題と組み合
せられる。アルカリ性過酸化物溶液の製造は酸素の陰極
還元を包含する。
これらの反応は次のように進行するものと考えられる。
これらの反応についてのより完全な記述、アルカリ性過
酸化物溶液の製造に使用する装置および方法は、次の特
許および刊行物中に見出される。
米国特許第4118305号(オロマン;1978年1
0月3日》:米国特許第3969201号(オロマンら
:1976年7月13日);米国特許第3507765
号(グランガード;1970年4月21日);米国特許
第3454477号(グランガード:1969年7月8
日);米国特許第3462351号(グランガード:1
969年8月19日):1TheE1ectr0red
ucti0n0f0xygent0Hydr0genP
erQxide0nFixed−BedCathOde
sI5OlOrnanandWatki鮒血′TheC
anadianJOurnalOfChemjcalE
ngineering9VOl.54、Pp53l2−
318,August1976:ゝ3Hydr0gen
Per(XidePrOductiOninTrick
leBedElectrOchemicalReact
Ors)5501(l[NanalldWatkiDB
On,JOUr−NalOfAppliedElect
rOchemistry)(1979)Pp.ll7−
123。
電解液中に存在する安定剤が電解中に分解する過酸化物
の量を最少にし、電解槽の電気効率を最大にする、すな
わち消費エネルギーの単位当りについてより多量の過酸
化物が回収される、ということが発見された。
安定剤として使用するために好適であるためには、化合
物は電解槽の条件に対して化学的、熱的、および電気的
に安定でなければならない。
不純物とキレートもしくは錯体を形成する化合物が特に
好適であることが見出された。これらの化合物はエチレ
ンジアミン四酢酸(EDTA)のアルカリ金属塩、スズ
酸塩、リン酸塩および8−ヒドロキシキノリンを包含す
る。特に最も好ましいのは、その入手性、低コストおよ
び取扱容易性のために、EDTAの塩類である。安定剤
は触媒的に活性な不純物の少なくとも1部を不活性にす
るに十分な、好ましくは実質的にすべての不純物を不活
性にするに十分な濃度で存在させるべきである。
必要とする安定剤の量は特定の電解液中に存在する不純
物の量について変化する。
不十分な量の安定剤は実質量の過酸化物の分解という結
果をもたらす。逆に、過剰量の安定剤は不必要であり浪
費である。特定の溶液について必要とする実際の量は電
解中の過酸化物の量を検査することによつて、または更
に好ましくは電解液中の不純物の量を化学分析すること
によつて、容易に決定するこノとができる。
電解液1t当り0.05〜51の安定剤濃度がほとんど
の用途にとつて適切であることが一般に見出された。こ
の改良された電解液中で使用するのに好適なアルカリ金
属化合物は容易に水にとけて実質量のHO2−を沈殿さ
せないものである。
好適な化合物はアルカリ金属水酸化物およびアルカリ金
属炭酸塩たとえば炭酸ナトリウムを包含することが知ら
れている。アルカリ金属水酸化物たとえば水酸化ナトリ
ウムおよび水酸化カリウムがその入手の容易さおよび水
中への易溶性のために特に好ましい。アルカリ金属化合
物は好ましくは電解液1t当り0.01全2.0モルの
液中濃度(モル/t)!!:もつべきである。この濃度
が0.01モル/tより実質的に低いと、電解液の抵抗
が高くなりすぎて過度の電気エネルギーを消費する。逆
に、この濃度が2.0モル/tより実質的に高いとアル
カリ金属化合物:過酸化物の比が高くなりすぎて、生成
物溶液は多すぎるアルカリ金属化合物と少なすぎる過酸
化物を含む。アルカリ金属水酸化物を使用するとき、0
.5〜2.0モル/tのアルカリ金属水酸化物の濃度が
特に好適であることが見出された。過酸化物の分解に触
媒的に活性な不純物は溶液中にも存在する。これらの物
質はふつう意図的に加えられるものではなくて不純物と
してのみ存在する。これらは通常、溶液中に溶解するが
、若干のものは溶液中に懸濁状態でのみ存在することも
ある。これらIICfl$鉛、鉄、銅、およびクロムの
イオン類が包含される。概して、過酸化物の分解速度は
触媒的に活性な物質の濃度が増大するにつれて増大する
。然しながら、上記イオタ類が1種より多く存在すると
、その混合物の効果は多くの場合相乗的である。すなわ
ち、1種より多くのイオンが存在するときの過酸化物の
分解速度は1種のイオンのみが存在するときの個々の過
酸化物分解速度の合計よりも大きい。これらの不純物の
実際の濃度は電解液を作るのに使用する諸成分の純度な
らびに取扱いおよび貯蔵中にこの溶液が接触する物質の
種類に依存する。1ppmより低い不純物濃度が過酸化
物溶液の安定性に有害な効果をもつことが知られている
溶液はアルカリ金属化合物および安定剤を水性液体と混
合することによつて製造される。
アルカリ金属化合物は水に溶解するが、安定剤はこの溶
液に溶解するがそこに懸濁するかのいづれかである。任
意に、この溶液はあらかじめ作つたアルカリ金属化合物
水溶液中に安定剤を溶解させることによつて、あるいは
あらかじめ作つた安定剤水溶液中にアルカリ金属化合物
を溶解させることによつて、製造することができる。任
意に、これらの溶液を別々に作つてから一緒にまぜるこ
ともできる。調製された水溶液は溶液1t当り0.01
〜2モルのアルカリ金属化合物および溶液1t当り0.
05〜50fの安定剤の濃度をもつ。
他の諸成分もそれらが所望の電気化学反応を実質的に妨
害しない限り溶液中に存在せしめることができる。好ま
しい溶液は約1tの水に約40tf)NaOH(1モル
のNaOH)を溶解させることによつて製造される。次
いで、EDTAのナトリウム塩の1モル水溶液の1.5
meを加えて溶液1t当り0.5tのEDTA濃度を与
える。このようにして製造し几溶液は電解槽に使用する
用意のできたものである。好適な電解槽は隔離板によつ
て間隔をおいて分離された陽極と陰極とから成る。
この隔離板はふつうアスベスト繊維の水圧浸透性シート
であるが、イオン交換膜シートも使用しうる。隔離板は
2つの電極を収納するそれぞれの室の間の液体の流れを
妨げる。陰極は多数の通路をもつ水圧浸透性の電導体で
ありうるが、陽極は固体の電導体でありうる。これらの
電極は電解槽に電力を与える電力供給体を通して接続さ
れる。陽極室は電解液入口および出口をもつが、陰極室
はふつう出口のみをもつ。ガス室は陰極の一面に隣接し
ていて陰極の面に接触するガス用の通路を与える。操作
に対して、上記の改良された電解液は電解槽の陽極室に
供給される。
その少なくとも1部は隔離板を通つて陰極室へおよび陰
極の通路へ流れる。酸素含有ガスがガス室を通つて陰極
通路に供給され、そこで電解液に会う。電力供給体によ
つて供給される電気エネルギ→工酸素を還元させて過酸
化水素を生ぜしめるに十分な濃度で各電極間を通過する
。ほとんどの用途において、電気エネルギーは1.0〜
2.0ボルトの電圧および0.05〜0.5アンベア/
平方インチ(77.5〜775アンペア/M2)の電力
密度で供給される。このようにして生成した過酸化物は
陰極室から出口を通して除かれる。
電解中に過酸化物をふつうには触媒的に分解させる不純
物の濃度は最小にされる。
これらの不純物は安定剤によりキレート化されるかまた
は錯体化された。従つて電解槽はより効率的に操作され
る。実施例 2 白金被覆チタン陽極と、多孔質アスベスト隔膜で分離さ
れた炭素粒子充てん床陰極とをもつ電気化学槽を使用し
てアルカリ性過酸化物溶液を製造した。
溶液1t当り約1モルのNaOH濃度および約1〜2p
pmの濃度の鉄イオンをもつ水酸化ナトリウム電解水溶
液を陽極を収納する室に供給した。この溶液はまた溶液
1t当り0.5?のEDTAナトリウム塩を含んでいた
。この電解液の1部を多孔質隔離板を通して陰極室に、
および陰極通路に流入させた。酸素ガスを、ガス室に隣
接する陰極の一面を通して陰極通路に供給した。この酸
素ガスを電解液中に含まれる水と電気化学的に反応させ
てアルカリ性過酸化物溶液を製造した。電流を約0.2
アンベア/平方インチ(31アンペア/M2)に保つた
。このアルカリ性過酸化物溶液次いで陰極室から除い完
。この槽の電流効率は約36%であると測定された。比
較例 実施例2に述べた電気化学プロセスをくりかえした。
ただし水酸化ナトリウム電解液に安定剤(EDTA)を
カロえなかつ2槽の電流効率は約28%であることがわ
かつた。
【図面の簡単な説明】
第1図は隔膜型隔離板をもつ電解槽における本発明の方
法の実施の一具体例を説明するためのものである。 第2図は本発明の別の具体例を説明するためのものであ
つて、隔膜型隔離板VC7JOえてイオン交換膜をもつ
電解槽における本発明の方法の実施の一具体例を示して
いる。図中において;100,101・・・電解槽;1
02・・・陰極支持体;104・・・ガス入口;106
・・・陰極;108・・・液状生成物出口;112・・
・隔離板:116・・・電解液入口;118・・・陽極
室:120・・・陽極;122・・・ガス状生成物出口
:124・・・イオン交換膜;128・・・陰極室。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 液体浸透性の隔離板によつて分離された少なくとも
    2個の電極をもちその電極の少なくとも1個が隔離板を
    支持していて多孔質かつ自己排液性である型式の電気化
    学槽中で液体をガスと電気化学的に反応させる方法にお
    いて:(a)自己排液性電極の孔の少なくとも1部にガ
    スを流通させ、(b)液体と接触する隔離板の面積を調
    節することによつて又は液体に及ぼす圧力を調節するこ
    とによつて隔離板を流通する液体の量および率を制御し
    つつ、電極の排液率にほぼ等しい率および電極孔の1部
    分のみを満たすに足る量で、液体を隔離板を通して自己
    排液性電極中に制御自在に流通させ、(c)この液体を
    ガスと電気化学的に反応させて少くとも1種の非揮発性
    生成物を含む電気化学生成物を製造し、そして(d)こ
    の電気化学生成物を自己排液性電極から除く、ことを特
    徴とする液−ガスを電気化学的に反応させる方法。 2 非揮発性生成物が水酸化ナトリウムまたは過酸化物
    である特許請求の範囲第1項記載の方法。 3 ガスが酸素含有ガスまたは実質的に純粋な酸素であ
    る特許請求の範囲第1項〜第2項のいずれかに記載の方
    法。 4 自己排液性電極が陰極である特許請求の範囲第1項
    〜第3項のいずれかに記載の方法。 5 槽が隔離板と陽極との間に配置されたイオン交換膜
    を含む特許請求の範囲第1項〜第4項のいずれかに記載
    の方法。 6 液が過酸化物の分解に触媒的に活性のある不純物お
    よびその触媒の少なくとも1部を不活性にするに足る濃
    度の安定剤を含むアルカリ性水溶液である特許請求の範
    囲第1項〜第5項のいずれかに記載の方法。 7 安定剤がキレート剤である特許請求の範囲第6項記
    載の方法。 8 キレート剤がエチレンジアミン四酢酸のアルカリ金
    属塩である特許請求の範囲第1項記載の方法。 9 アルカリ金属塩がナトリウム塩である特許請求の範
    囲第8項記載の方法。 10 溶液が水酸化カリウムまたは水酸化ナトリウムか
    らえらばれたアルカリ金属水酸化物を含む特許請求の範
    囲第6項記載の方法。 11 安定剤が溶液1l当り0.05〜5.0gの濃度
    で存在する特許請求の範囲第6〜10項のいずれかに記
    載の方法。 12 アルカリ金属水酸化物の濃度が溶液1l当り0.
    01〜2モルである特許請求の範囲第10項記載の方法
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