JPS59173281A - 電解槽 - Google Patents

電解槽

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JPS59173281A
JPS59173281A JP58047118A JP4711883A JPS59173281A JP S59173281 A JPS59173281 A JP S59173281A JP 58047118 A JP58047118 A JP 58047118A JP 4711883 A JP4711883 A JP 4711883A JP S59173281 A JPS59173281 A JP S59173281A
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尚哉 岡田
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  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規41電解槽、特にノノルカリ金属塩水溶液
の電が〆に使用りるための電解槽に関りる、18丁しく
(よ、所謂イオン交換膜法アルカリ金属塩゛市Wc用の
電解槽cdりる。
近1、アルカリ金属J、%iの電解法どして所謂rAン
交換脱法が主流となりつつある。その主たる理由は、照
公害型の電解技術であり、しかも高品位の荀竹アルカリ
を1をすることかできることにある。更にこの技術が着
目され、一層の開光1tll究が行われている叩出どじ
て理論的に従来行われていた電解手段よりも電力原単位
を少なくし得る可能性があるためである。しかしながら
、イAン交換Hq電解は、相当に高度な技術であり、容
易に電力原単位の(fU減が果たしなかつIC、、この
ため、極めて多くの持直出願に象徴される種々の提案が
なされている。
本発明もJたイAン交換IIQ法アルカリ金属J3就中
食塩、塩化カリ等の電解においてその電力原単位の低減
を意図した−しのである。アルカリ金属塩の電解にお(
プる電力原単位は、通常電流効率と電極間電汗とによっ
でぞのt、工とんどが決まる。、更に曲名は、電解条(
’l及び陽イオン交換膜の性能によりほとんど決まるも
のであるが、後者は理論電解電肚及び陽イオン交換膜の
性質のみならず、電極vJ質、電解槽の4vi造、電極
の構造4Tど複雑に影賢し合一ンて構成されている。
本発明名らは、最も合理的な電解槽の構造を追及し、あ
らゆる角度から電力原単位の低減を検討し、2つの結論
を得た1、即ち、一つは陽イオン交換膜の改良であり、
他は陽イオン交換膜と電極との間に生ずる気泡に起因づ
る電極間電凡の上病の低減である。ここで陽イオン交換
膜については、づでに多くの提案があるように、パーフ
ルΔロカーボン骨格を右し、側鎖に陽イオン交換基を有
づるものであって、該イオン交換膜の表面と平行に少な
くとも層状に(全体であってbjこい)弱酸性基例えば
カルボン酸基を有し、残余の層にカルボン酸基を有する
形状のイオン交換膜であり、該スルホン酸基の存7Fづ
る層の厚ざは10μ以上であり、イオン交換容串はいず
れの層についtbo、2〜2ミリ当吊/〈グラム乾燥樹
脂)(meq/Qと表示づる)で、膜の架橋の有無や厚
さなどによっても異なるが、一般に交換容量の大さいも
の或いは固定イAン淵度の大きいものが好ましいことが
わかっている。更に該陽イオン交換膜は、一般に強度が
小さく、狛に非架橋樹脂構造の場合には、これと接する
アルカリや塩のiltにJンンて伸び縮みをりるなどの
欠点を補うため、テ1〜ンノルオ口エチレンの重合体な
ど耐薬品性の高い物質よりなる繊維で・補強されるのが
、常である3、シかしながら、これらの補強材は及面陽
イAン交換膜の投影面を遮蔽Jることになり、イれだ(
プ膜の通電面積が減少覆ることにもなる。このため膜の
破損や電解時と膜のセット時とでの伸縮差による部分的
なたくれや凹凸が生じてない))法があれば何等の補強
拐(バッキング桐ともいう〉4「どを用いない方がよい
と考えられる。いずれにしてし、該膜は使用時において
2オーム、以VりYましくけ1オ一ム程度の電気抵抗よ
り小さいものを用いるのが望ましい。
次に電極間電圧のう1)、陽イオン交換膜1ス卦にJ:
る電圧の降下は理論電解電圧を除くと、電極過電圧及び
気泡にJ、る右効面槓の減少に関する因子が人きなつ■
イ1〜を占める。そこで電極の過電圧の低モーに関づる
多くの特許出願がなされており、づでに陽極につい°C
は、酸化ルアニウム系或いは白金族酸化金属物系などの
電極材オ〕1の提案により、実質的に陽極過電圧を無視
し得るものが開発されでいる。また陰極過電圧について
も種々の提案があり、特に含硫黄ニッケルメッキ表層を
有4る陰極、白金族金属系陰極及び表面を粗化し!こニ
ツノフルメッギ層を右りる電極などが提案され、今後す
より優れた陰極が提案されると思われるが、陰極材質の
開発の方向(,1応定ま−)たと見られる。
しかるに気泡に一朗する因子に一ついて番、1.11甲
霧中と言える状態であり、種々の提案もある。例えば陽
イオン交換基而に黴細な凹凸を付りることにJ:す、気
泡がイオン交換膜表面に何名、停?11)づるのを防止
づるとか、電極をイオン交換膜に一体化し、主に電極対
向面以外の電極部分で電解反応を行わせることにより、
電極背後で・気泡を形成さけ、気泡にJ:る通電面積の
減少覆るのを防止する方法などが提案されている。この
場合の鯉点け、電極の対抗面が有効に活用されないこと
、電極の寿命が比較的短いこと、集電体との電気的接続
が七分保占1されないことイfどにあった。
本発明は、]−とじて気泡の影響を受(づ41い構造で
あり、口つ陽イオン交換膜の実質的な全面にねlこっ−
(均 %電流密度を期侍し得る電解槽の構造を提供づる
ものである。
即ち、本発明は陽イオン交換膜で区分された陽極室と陰
極室とよりなり、陽極?−には@極が、陰極室には陰゛
極が各々存右する構造よりなり、該陽極及び陰極のうl
っ少イ1くとも一方の電極が0.3mm以下、好ましく
は(1、1h m m乃〒0j)501nlの19さて
あり、1ケの孔の面積が0.0!i・〜・1.0mm”
、 Q7ましくはO,i 〜0.3nunの多数の几を
イ」し、11つ開孔率が20%以−1、一般に4;L2
0−40%程度であることを特徴と乃るイオン交換1漠
法−i)ルカリ金属塩電解用?ti解槽である1、 本発明にあっては、」−t1ピの如く少なくどb −I
jの電極が特定の構造であることを主たる散性とでるが
、勿論文・jの電極共に同一範囲内の形状であれば一般
に好ましい、。
しかし、一方のみの電極を上記特定−(Jる場合にG、
L、 般に1!!2極に用いるツノが人さな効果か期待
し15)るが、運転条(4によ−)ては逆の場合もある
。一般に;5L一方のみに−1−記特定の電極を用いた
場合の他方の電極は本発明の目的を損じない範囲で特に
限定されないか、通常、金網、工A−スパン1〜メタル
、パンチトメタル4丁と多孔性電極を用い−ぞの孔径又
は孔の一17Jの艮は0.!i・〜・5mm稈jα叉は
イf1以十て開孔率20%以トまIこある程度の剛1/
Iを保1うりるに必要な厚さ、例えば平均厚さllnm
以上、一般には1〜3mlllPII+良のものが使用
される。
更に上記1b定の形態の電極は一般に大型化しtag、
合、剛性に乏しく裏皮えが必要となる。
この場合リブ状の金属剛体に溶着づる手段も当然(jい
得るが、リブ間隔が大きいと電流分布に斑を生じる他、
電極の平坦性を保ち九くまた挾過ぎると本発明の効果を
減するし、史に製作費用の上界をまねくなどの欠点を生
り“る。一般には縦方向のり1としく3〜2(1cm稈
度である。
しかしながら、本発明において更に好ましい形態は直径
0.1〜1mm程度のワイV−の集合体よりなる宋電体
にJ:つて裏打らづるごとにある。一般に該ワイヤーの
集合体は該ワイヤーJ、りなる金網を1枚以−19、例
えば2〜5枚重ね合せて部分的に溶着、含兵着、縫着、
ぞの他の手段で持着させて該電極と一体化覆る。この場
合、ワイ)7−集合体に弾性をイτt ’4 シーCお
くのがOfましくワイヤーよりなる金網を更に波形に各
々屈曲さけたものを任意の方向に重ね合せるなどの工夫
を用いるのが望ましい。かくし℃電極面に弾ツノをイ」
与し目っ該ワイ髪7−集合体を史に剛性のある多孔体、
例えばニー1スパントメタル、金網、バンヂドメタルと
接触させる。必要によりワイA/−の集合体にて裏打ら
された上記電極を剛ttのある多孔体に持Aさぜること
もC゛きる。その手段は特に限定されない。
従来、イオン交換脱法アルカリ金属J3.1電解用電極
の構造として、種/Zの構造が提案され又は使用されて
いる。
例えば多孔性電極の構造として孔径0.5・〜1闘稈度
のしのく特開昭56−146884号、特開昭!77−
98687号)や、電極様厚か0.5nun稈度のもの
(特開昭5(i−589112q )などがある。しか
しながら、前者は電極厚さが0.8〜数ミリメー1〜ル
のものであり、後者は歯径数ミリメー1−ルの乙のであ
る。更に特殊な多孔体をイオン交換膜にイ旧ノることを
条件とづるものではあるが孔の長径1.0〜10m川、
孔の7.ti径0.5〜5mm線径0.1へ−2,0m
m、間孔尋′20へ・95%の14スパントメタルの電
極を用いるとの提案(特開昭57−413858)があ
る。特にこの特開昭57−41385号の公開公報3頁
h」−欄において電極体の厚みに言及し、0.01〜1
000μが使用されると記されている。しかしト述した
如く線径0,1 ヘ2.Ommの14スパントメタルC
あることから、かかる記述は誤記と見るのが妥当てあろ
う。
本発明者等の実験ににれば多孔付電極にお(Jる単孔の
孔面積が0.05〜i 、 Om−の範囲であると共に
電極19さが0.3mm以下の如く極めて薄いことが重
要である。即ち、電極の厚さが0.3mmよりし厚い場
合は、孔の側面での電解が優先し、この部分で発生覆る
気泡は、その孔を一時的に封鎖することにより、電極面
積の減少を来たJ。しかるに0.3mrrI)7ましく
は0.15+nm以下であれば電極上で発生し、成牛じ
て電極を離脱する気泡の直径の1./2となり該気泡は
離脱と同時に電極後方へ扱は液中を上界りることになる
のである。
また多孔電極における単孔面積はその厚みと共に重要な
意味41馬つ。即ち、この面積は電極を1iIII脱り
るとさの気泡の最大断面よりも小さいものでIcKけれ
ばなら4gいが、またあまり小さい場合にはむしろ電極
孔内に詰まっlこ状態(パ通電injを被覆して気泡の
成長が市より、気泡が電極表面から脱離し難くなる。こ
のように電極上に生成される泡の状況を極めC詳細に検
問した結果、本発明のrJ定の条件の組合せが見出され
たのである。
J、た開孔率については、これがあまりに小さいと電極
11(1面での気泡密1良が増大して好ましくイエいが
、20%以」一般には20・〜40%P1度でほぼ同一
の効果を承り。
以」−説明した如き形状の電極を用いる電解槽の他の構
造は特に限定されない。
一般にはバイポーラ型又は−しノボーラ型の電解槽とし
で用いる1、更に陽極及び陰極は同イオン交換膜をその
1120に介して対\γざけ両電極間はO・へ−5mm
程度にイ装置さゼる。
また電解に際してtユ陽極室に比して陰極室内1fをわ
ずかに例えば水々Jで10・・・100cm程I臭高く
保つのも好ましい場合がある。また陽、陰画極間で陽イ
オン交換膜を挾持4る如く両電極を陽イオン交換膜に接
触させた状態で設置する場合には接触圧は一般に0.0
01kg/cm乃1kg /cm’稈度1、い。同イオ
ン交換膜がバッキングのないしのC・ある場合この態様
が特に好ましい。
また本発明に用いる電極において1ノイX/−集合イホ
で一犬+1らされる場合は該集合体中の空隙′4′1.
130%以」がよいがかかる束合イホの設置は陽イオン
交換膜の損傷を防止づるのに有効となる。以下、本発明
の電解槽の概念図及び部分図を示づ1.第1図はバイポ
ーラ電極のへrルターゾレス型の電解槽のユニツ1〜セ
ルを示す断面図である。即ち、1が電解槽枠で2が陽イ
オン交換、3が隔壁、4が゛重心りlを表し、5が通常
の剛体電極、例えば開孔率20〜80%、孔部の長径1
・−10mm、短径0.5・−,5mm 、 IIPe
1〜3mm程度の1−キスバンドメタルより4する陽極
(又は陰極)を表覆。他方6は上記剛体電極どほぼ同!
!iIj島の多孔板ではあるが電極活性を持だ4fい集
電体、7はワイヤー集合体J、りなる集電体、8は本発
明で特に限定される特定形状の陰極く又は陽極)である
1゜本発明にあ−)では第1図に示づ−如く一方の電極
のみに特定形状の電極を用いる態様と両刃の電極に用い
る態様(図示ぜ−ず)があるが、一方のみ特定形状の電
極を用いる場合にはこねを陽極側に用いるのが一般にJ
:り有効である。口の場合陰極室内圧を陽極室内圧より
も高くゴるか叉は陰極裏面に存在づるワイヤ−集合体の
弾性を利して陽イオン交換膜を陽極面に圧接づるのが好
ましい。尚、第1図において9はバッキングを表りが、
これは本発明にa3いて必須のものではない。第2図に
本発明に用いる1zJ定形状の電極の1例の部分図を示
り。本例は剛体集電体6上に特定形状の電極8が持着さ
れlこ形態であるが、柿おの方法は特に限定されない1
.即ち、種々の公知の方法で部分的に係止されていても
よいし、また場合によっては電解槽を組上けた状態て陽
イオン交換膜と剛イホ東電体との間で特定形状の電極(
及び1ツイヤ−集合体j:りなる集電体)かY1接され
た状態U−(! J、’iされ″(い(しよい。
本発明の電解槽の運転方法は特【、二隔室されイjい。
従来から知られている−しノボーラ、又はバイポーラ電
極をIMえた))ルカリ金属塩水溶液の゛電解槽の運転
条件かぞのよ;L採用さねる。即ち、例えば3規定乃至
飽の食塩水を陽極室に供給し、陰極室に20〜40%の
苛性ソーダを生成させ、陽極室内液及び陰極室内液は室
温乃〒95℃、電流密瓜は10乃至50△/ 6m2が
用いられる。一般には陽極室に供給づる塩水中の多価金
属イオンは、O,ippm以下となるまで除去してa5
<のが好ましい。また陽イオン交換膜としくバッAング
を用いない膜で且つカルボン酸基の存711Jる層を有
づるパーフルオロカーボン重合体を用いた場合には高ム
Y性濃度でも高い電流効率、例えば@1!Iソーダ瀧度
30%以」二で95%以上の゛電流効率を冑、目っ電惨
間電圧を・3ボルト以下にりること61【[能である1
、以−ド実施例を示号。
実施例1−6  比較例1−5 電解槽としてニッケル製陰極室とチタン製陽極室とから
なる有効面積0,56m2 (5cm x iocm)
の2室型電解槽を用いイオン交換基とし−(カルボン酸
基の層を有づるスルホン酸型)陽イオン交換膜を隔膜と
して陽極室に食塩水、陰極室に水を供給して食塩水の電
解を行った。。
′fFi解条件は、電槽渇麿90°0、電流密瓜30.
へ/’ 6m2、電i#al距1i1jf 0.5mm
テあり、R’A ’s! 内(1) 食14 m IF
J bX 3 、5mol/12、陰極室内の苛性11
i1度か9mol/I2となるようそれぞれ食塩水と水
を供給して電解した。電解時には陰極室の内圧を陽極室
の内LLより20cm1−I□O高くして陽イオン交換
膜を陽極に押しイ」けた。
電極基材として二ツノZル板及びチタン板より製作した
パンFトメタル多孔板を用いた。基板の厚み、開孔t¥
、ピッチを変えて孔をあ()、多孔板の厚み、1つの孔
の面積、開孔率が異なる11種類の60千鳥型パンデー
トメタル多孔板を製作した。陰極は、−ツクル製バンヂ
ドメタル多孔板をそのまま用い、陽極はチタン製パンチ
トメタル多孔板に酸化ルミニウム50%ど酸化チタン5
0%よりなる混合物が被覆されたものを使用した。尚、
酸化ルj”ニウムと酸化チタンとの被覆の前後にa3い
てチタン製パンチトメタル多孔板の厚み、1つの孔の面
積、開孔≧彰(よ実質的に差は認められず、同一形状と
JJなしlG7だ。でれそれの電解結果を第1表に示づ
第1表←→ 実施例12−17 陰極として実施例1のニッケル製パンザ下メタル多孔板
を用い、陽極として比較例8のチタン特上クスバンドメ
タル(酸化ルデニウムと酸化チタンが被覆しである)を
用いて実施例12とした。
また、陰極として比較例8のニツクルIJQIクスバン
ドメタルと陽極として実施例1のチタン製パンチ下メタ
ル多孔板(酸化ルテニウムと酸化チタンが被覆しである
)とを組合せて実施例13とした。
同様にして比較例8の1クスバンドメタル電極と実施例
7のエクスパンドメタルTih及び実施例11のプレス
しC製作した金網電極とを組合けで実施例14,15.
16.17としIこ。
ただし、電解方法と電解条イ′1は、実施例1−6、比
較例1−5と同様にした。
結果を第4表に承り。
尚、第4表に比較例8、実施例1,7.41の結束も合
11C記?l。
第4表 第5)表の結末に、J、り陰(4Kまたは陽極のどらら
か−hのみを本発明による形状の電極を用い(し電摺電
月の低減効果が発現されCいる口とがわかる1゜実施例
18 電解槽どじいlクリル製陰4fi室とアクリル製陽極室
とから<「る右効面槓246m2 (20cmx i、
2m )の2り1ぎ型電解槽を用い/J、。
実施例7と同じ形状のチタン製−Lクスパントメタルに
酸化ルj−ウム(!iow1%)と酸化チタン(50w
t%)よりなる況合物を被覆して陽極とした。この陽極
に線径(1,31mm 、聞孔十1j7%の20メツシ
1のチタンlIA金網束1七体とSW3mm 、 1.
、W6mmのチタン製」−クスバンドメタル集電体をL
記の順に小ね合1ICIA空拡散溶接法により浴1gシ
、さらにSW3mn+ 、1WGnnnのブタンIjl
J 、−、(−クスバン!−メタルに電導りJを溶接し
て陽極室に取りつIJた1、実施例7ど同じ形状のニラ
l)ル製■クスバンドメタルに特願昭!i!’+457
00号に記載の方法に従って白金を焼結被覆しく陰極ど
した。この陰極に線径0.20mmの一ツケル製1ノイ
1t−メツシIi:ミスタ−(「]水メツシ1工業株式
会ネ1装、S L、 5tyle )を2枚Φねて波形
状にした(山と山どの間隔17 m m、山と谷との間
#A6mm )弾+11を石りる集電体く空隙ヰ″8j
)%)と電導リブを溶接したSW3mlll、1、W6
叫nの一ツIノル製1クスバンドメタル製9、電体を1
記の順に小ね合せて陰極4(に取りつけた。
イオン交換基としT jJルボン酸基の層を右するスル
ホン酸型のバッキングのない陽イオン交換1棟を陽極ど
陰極で挾持づるJ、うに電解槽を絹ずlてた。
この電解槽に陽極室内の食塩温度か3.5mol、/ 
Q 、陰141室内(7) 、’i) (71瀧1良が
11mol/Rとなル、J:つ% しく’ h fJ 
12A水と水を供給しつつ、陰4f!室内圧を陽極室内
L1−にすb40cml−LO高く保持しながら、電流
密度30△76m2、?fnf IQ !l(1’C(
”150目間゛帛解し、以上の結果を得た。
電摺電J、’■2.86\/ ・亀流効・ネ″       9!i、2%50%?i
′J竹中食In 1llil In     391)
l1m実施例19 SW3mm 、1.W6mmのニッケル製」クスバンド
メタルに特願昭54i−45700jコに記載の方法に
従って白金を焼結被覆した陰極に電導リプを溶接して陰
1〜室に取り゛つ(ツノに(Jかは、実施例18と全く
同様にしく150日間電解し、以下の結果を15また1
゜ 電摺電圧      2.95 V 電流効率       94.8% 50%苛性中食il1度  46ppm実施例20 SW3mm 、L−W6mmのチタン製]−クスバンド
メタルに酸化ルテニウム(!iowt%)と酸化チタン
(50wt%)を被覆した陽極に電導リブを溶接して陽
極室°に取りつLJ kほか(ま実施例18と全く同様
にして150日間電解し、以上の結果を1qた。
電摺電圧     2,98 V 電流効$       94.7% 50%苛性中食塩濃度 47ppm
【図面の簡単な説明】
′d51図は本発明の電解槽一部の断面図である。 第2図は電極部分を示づ部分図である。 図中、1はユニットセル枠、2は陽イオン交換膜、3は
]ニラ1へセルの隔壁、4C,1電導用リプ、5(、L
電極、6は集電用多孔板、7はワイ髪7−の集電体より
なる集電体8は電極ぐある。 特3′4出願人 徳山ψ−・達株式会召

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、陽イオン交換膜で区分された陽極室と陰4!Ii¥
    とJ、りなり、陽惨室には陽極が、陰惨室に(は陰極が
    各々存aする構造よりなり、該陽極及び陰極のうち少な
    くとも二方の電極が0.3mm以下の厚みであり、1り
    の孔の面積が0.05inm’〜1 、 Omm゛の多
    数の孔を有し、目つ開孔率が20%以上であることを特
    徴とづるイオン交換脱法アルカリ金属塩電解の電解槽。 2 電極形状が、0.3mm以下の厚みであり、1ケの
    孔の面積が0.0!imm’〜1.0mm1の多数の孔
    をイ1し、且つ開孔率が20%以上である電極が直径0
    .1〜1mmのワイヤーの集合体よりなる東電体によっ
    てi打ちされた特i′F請求の範囲第1項記載の電解槽
    。 3、陽極及び陰極が陽イオン交換膜を挟持−りる如く近
    接して存在する特許請求の範囲第1項記載の電解槽、。
JP58047118A 1983-03-23 1983-03-23 電解槽 Granted JPS59173281A (ja)

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Cited By (6)

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