JPS59197582A - 電解槽及び電解方法 - Google Patents

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】 本発明は主としてアルカリ金属ハロケン化物水溶液、特
に塩化アルカリ塩水溶液の電解槽及び電解方法に関する
。

詳しくはイオン交換膜により陽極室と陰極室に区画され
た新規な電解槽及び電解方法に関する。更に詳しくは、
陽極および陰極がガス・液卵透過性電極である電解槽及
び該電解槽を用いて陽・陰両電極室内で電解液を貫流せ
しめることにより前記電極表面上に発生した電極発生ガ
スを実質的に完全に除去しながら電解する方法に一関す
る。

従来、例えばハロゲン化アルカリ水溶液を陽イオン交換
膜を用いて電解する電解槽においては、多孔性電極かも
っばら使用されてきた。そして多孔性電極としてはエキ
スパンテッドメタルシート、パンチトメタルシートある
いは金網か代表的である。

このような多孔性電極を使用して電解を行なう場合、電
極表面で発生するガスは一部は陽イオン交換膜と電極と
の間を上昇し、他の一部は孔より電極の背面に通りぬけ
て上昇する。ところで電極で発生するガスが電極近傍、
特に電極と陽イオン交換膜との間に滞留することは液抵
抗の増大につながり、その結果電解電圧を上昇させるこ
とになる。

ガス気泡の電極近傍での滞留を防止する方法として、例
えば特開昭５２−１１４５７１号公報には陰極にエキス
パンデッドメタルを用い且つ開口部長径軸か垂直方向と
特定の角度（０〜４５度）をもたせる方法が開示されて
いる。しかるにこの方法を用いても、陽イオン交換膜を
挾んで陽極、陰極間の距離が約２　ｍｍあるいは特に約
１　ｍｍ以下になった場合、陰極と膜との間に形成され
る微小の間隙に陰極ガスが滞留しやすくなり、第１図に
示すような電解電圧を生じさせる。

かかる問題を解決する為に特開昭５３−５６１９６号、
同５ろ一４６４８３号及び同５５−８１４９８号公報に
は、それぞれ電極の後方に流路仕切板を設置し、循環流
を発生あるいは強制循環により強制的に発生させながら
電解する方法、電極室の上部に液供給口を設置し、ポン
プ圧により下降流を電極室内に発生させ、多孔性陰極で
発生した陰極ガスを陰極の背後に抜きながら隔壁の下部
より隔壁の背後へ抜き出す構造の電解槽、隔膜面に向っ
て上り勾配横桟を有する多孔性電極を用い、電極の後方
より液流を流せしめ循環流を発生せしめる電解槽が提案
されている。しかしながら、これらの提案された技術を
用いてもイオン交換膜を介在させた陽極、陰極間の距離
が約２世あるいは特に約１画以下で電解する場合、陰極
と膜との間の微小な隙間に循環流による泡（ガス）抜き
効果が及び難くなり、従って多孔性陰極の後方（背後）
にのみ循環流が導かれ、膜と陰極間に泡の滞留が多くな
る。このため膜及び電極への泡の付着が必然的に多くな
り、やはり第１図に示すような電圧特性カーブを示す。

これらの問題点を解決する方法として、特開昭５７−２
’５０７６号公報には膜の表面にガス及び液透過性の導
電性多孔質層を配し、膜へのガス付着を防止する方法が
教示されている。しかしながらかかる方法にあっては、
工業的規模の大型電解槽に使用されるような大型膜への
応用は伽、かしく、例えば大型膜に均一に導電性多孔質
層を形成させることは決して容易ではない。のみならず
上記技術では電極表面のガスを速やかに除去するという
問題に対しては何ら効果を期待できない。

さらに特開昭５６−１’１６８９１号公報によれは、膜
の表面を粗面化することにより膜へのガス付着を防止す
る方法が提案されているが、本方法によっても既述した
のと同様の問題点が残る。

本発明者らは上記実態に鑑み、これら従来技述の問題点
を解決せんとして鋭意検討の結果、本発明に到達したも
のである。

すなわち、本発明の第１はイオン交換膜により陽極室及
び陰極室に区画された電解才曽において、陽極及び陰極
が非多孔性のガス・液卵透過性電極であることを特徴と
する電解槽を内容とし、本発明の第２は、イオン交換膜
により陽極室と陰極室に区画され、陽極および陰極がガ
ス・液卵透過性電極である電解槽を使用して、陽・陰画
電極室内に電解液を高速で貫流せしめ、該電解液は電極
での発生ガスを直ちに上記流れに巻き込ませ電極室外へ
排出させることを特徴とする電解法を内容とする。

本発明の特徴は、先ずガス・液卵透過性電極と陽イオン
交換膜で形成された電極室内を、電解液を高速で貫流さ
せることにより、電極表面及び膜表面に滞留又は付着し
た電極発生カスの気泡を速やかに取り除き、電解槽外に
運び去ることにある。次いで電解槽外へ排出された電極
発生ガスを含む電解液は気液分離槽へ導入されガスを分
離したのち、ポンプで一部を電解槽へ還流させる。

電解電圧を低減させるためには、陽イオン交換膜を挾む
陽極・陰極間距離を縮めることが有効である。しかし、
前述した如く多孔性電極を用いた場合、極間距離が約２
　ｍｍあるいはそれ以下になると膜と電極との間の微小
な間隙にカスが滞留したり、あるいは膜表面にガスが付
着し、電解電圧を上昇させる。しかるに本発明による電
解法では、極間距離を約２印以下に短縮させても陰極と
陽イオン交換膜で形成された間隙に電解液を一定方向に
高速て貫流させ、発生ガス（気泡）を速やかに取り除く
ことにより電解電圧を低減させることが可能である。

かくして、本発明によれは極間距離を短縮しても電極ガ
スの滞留も、電極及び膜表面へのガス付着もなく、第１
図に示すように常に低い電解電圧が得られ、電力原単位
を小とし得る利点かある。

次に本発明の態様を添付図面について詳述する。以下の
説明において、アルカリ金属ハロゲン化物の代表例とし
て現在産業界で最も一般的に使われている塩化ナトリウ
ムを、また、その電解生成物は苛性ソーダをそれぞれ便
宜上用いるが、これによって本発明をそれらに限定する
意図を表わしたものでなく、塩化カリウム等地の無機塩
水溶液や水電解等にも適用できることは云う迄もない。

尚、以下の説明において水平型電解槽の場合を例にあげ
て説明するが、本発明はこれに限定されないことは勿論
である。即ち、イオン交換膜の張設は、地平面に対し水
平方向でも垂直方向でも、また、ある角度を持って傾斜
しても適用することが可能である。

第２図は、本発明の一実施態様を示す電解槽の概念断面
図である。

第２図において、本装置は水平方向に張設された陽イオ
ン交換膜（１）によって陽極室（２）と陰極室（ろ）に
区画される。本図において陽イオン交換膜（１）の上部
に陽極室（２）が、下部に陰極室（６）が位置している
か陽極室（２）、陰極室（乙）か上下逆になっても適用
できることは云う迄もない。

本発明に好適な陽イオン交換膜としては、例えは、陽イ
オン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体からな
る膜を挙げることができる。

スルホン酸基を交換基とするパーフルオロカーホン重合
体よりなる膜は、米国のイー・アイ・デュポン・デ・ニ
モアス・アンド・カンパニー（Ｆ、、１．Ｄｕ　　Ｐｏ
ｎｃ　　ｄｅ　　Ｎｅｍｏｕｒｓ　　ｇｅ　Ｃｏｍｐａ
ｎｙ）より商標名「ナフィオン」として市販されており
、その化学構造は次式に示す通りである。

かかる陽イオン交換膜の好適な当量重量は１，０００乃
至２，００口、好ましくは１．１００乃至１，５００で
ある。ここに当量重量とは、交換基当量当りの乾燥膜の
重量［Ｐ］である。また、上記交換膜のスルホン酸基の
一部又は全部をカルホン酸基に置換した陽イオン交換膜
その他慣用されている陽イオン交換膜も本発明に適用す
ることができる。

これらの陽イオン交換膜は透水率が著しく小さく、水力
学的流れを通さずに水分子３〜４個を有するナトリウム
イオンを通すのみである。

陽極室（２）は陽イオン交換膜（１）と非多孔性のガス
・液卵透過性陽極（４）と該陽極の縁に沿って該陽極を
囲むように延設された陽極室側壁（６）とによって画成
されている。

更に陽極室（２）はガス・液卵透過性陽極（４）あるい
は陽極室側壁（６）の一部に陽極液供給口（ｉ　０　）
及び陽極液と陽極ガスの混相流の排出口（１１）を備え
ている。

上記の陽極室（２）を構成する陽極室側壁（６）及び陽
極液に接する部分はハロゲンガスに耐える材質であれは
特に制限はなく、例えばチタン及びチタン合金等の耐塩
素金属あるいは、弗素系ポリマー、硬質ゴム等を使用す
ることができる。

また、上記金属、弗素系ポリマー又は硬質ゴム等をライ
ニングした鉄を用いることもできる。

陽極反応を行なう陽極（４）はチタン、ニオブあるいは
タンタルのような金属に、例えば白金族金属あるいは酸
化白金族金属又はそれらの混合物を有する被覆を施した
不溶性陽極が好ましい。

該陽極（４）は必要であれば陽極室背壁（８）によって
補強され固定される。陽極室背壁（８）に用いる材質は
特に制限はなく陽極室内圧に対し変形しなけれはよく、
例えばチタン、鉄等の金属、強化されたプラスチック等
を使用することができる。

又、陽極室側壁となる部分を残して陽極室となる部分を
削り取り、陽極室側壁（６）と陽極室背壁（８）とか一
体となった構造でも良いし、初めから陽極室となる部分
を凹ませた形状で陽極室側壁（６）と陽極室背壁（８）
とを一体的にプラスチック等で成形した構造のものでも
良い。陽極（４）と陽極室背壁（８）は、同一素材で一
体化していてもよく、二種類り、上の基材を爆着・溶接
によって、あるいは支持部を介して接続された構造であ
ってもよい。

次いて陰極室名］は、陽イオン交換膜（１）とガス・液
弁透過性陰極（５）と該陰極の縁に沿って該陰極を囲む
ように延設された陰極室側壁（７）とにより画成されて
いる。更に陰極室（６）は陽極室と同様、カス・液弁透
過性陰極（５）あるいは陰極室側壁（７）の一部に陰極
液供給口（１２）及び陰極液と陰極ガス混和流の陰極液
排出口（１ろ）を備えている。また、該陰極（５）はそ
の背後に陰極室背壁（９）を有する。

陰極室側壁（７］及び陰極液に接する８１≦分の構成桐
料としては、苛性ソーダ等の苛性アルカリに耐える材料
であれば特に制限はなく、鉄あるいハ弗化ヒニリデン、
耐熱塩ビ等の耐熱プラスチックス、あるいは弗素系ポリ
マー、ゴム等を使用することができる。また、鉄基材上
に耐アルカリ性材料をライニングした伺料も好適に使用
できる。

ガス・液弁透過性陰極（４）は鉄又はニッヶノぺあるい
は鉄の表面に水素過電圧を低下せしめる多孔質ニッケル
又はニッケル合金メッキを施したものを好適に使用する
ことができる。更には、陰極室背壁と一体で該側壁の陰
極室に面する側を低水素過電圧用の処理を施し陰極とし
ても使用できる。

本発明に使用する非多孔性のガス・液卵透過性電極の形
状については、電解液の流れを妨害しないものであれば
特に制限はない。該電極表面は巨視的に平面と同一視し
得るものでも良いし、また電、極液の貫流方向に凸状筋
を備えた凸凹構造を有するものであっても良い。

ここで陽極と陰極との間の極間距離は電気抵抗を減少さ
せるために５．ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下が好ま
しい。上限については極間距離が広くなれ１才電気抵抗
が増大し、また電解液の流速を一定以上に確保するため
に、流量を大きくすることか必要となり、循環に要する
動力費のコストアップをまねくので５　ｍｍを越えない
ようにするのが好ましい。特に凸凹構造を有する非多孔
性電極を使用する場合は、凸部と陽イオン交換膜とが隣
接又は接触していることか好ましい実施態様である。こ
の場合凹状筋は電極と陽イオン交換膜の間に滞留及び付
着している発生ガスを速やかに電解液に巻き込み、生じ
−た気液７Ｍ　’Ｈｌ　２＆をスムースに流す一種のガ
イドレールとして機能する。

ここで、電解室内の電解液を貫流させる方向は牡にｆｉ
ｂ！定されない。即ち陽極液と陰極液とのＢｌ流方向は
イ〕（付随、対向流、直交流のいずれでもよく、下方か
ら上方または上方から下方への聞流、でも差しつかえな
い。しかし、陽イオン交換膜及び両極が傾き１／１ｏ以
上で水平方向より傾いている場合には、発生したガスの
浮力が利用できるので、貫流方向は水平方向又は下方か
ら上方方向が好ましい。

また、電極室内を貫流する電極液の流速は、電極表面及
び膜表面に付着した気泡を脱着させる線速度が必要であ
り、我々の検討結果によれは水平方向の貫流の場合には
電極発生ガスを含まない状態での線速度は少なくともＢ
ｃｍ／ＳｅＣ以上が望ましく、更に好ましくは少くとも
２ｒＪｋｍ／ｓｅ（以上であることが望ましい。一方、
上限については特に限定されないが、例えはｉ　Ｑ　ｍ
／ｓ　ｅ　ｃ以上にすると電極室内に発生する圧力損失
が増大し、膜の破損や電解槽の変形、液シールの洩れ等
の危険性が顕視するので、これらのことを勘案して決定
するのか望ましい。

さらに電解槽を出た電極液は、微小な電極発生カスの気
泡を含んだ気液混和流となっているので、電解槽外に設
置した気液分離柁・に導いて気液を分離したのち、液相
部をポη°で一部再ひ電極室へ還流させる。

尚以上の説明において単極室１槽の場合を例にあけて説
明したが、本発明はこれに限定されず、復極式あるいは
フィルタープレスタイプであっても適用することが可能
である。

第６図は、本発明による陽イオン交換膜電解槽の断面図
および電解液循環系統を示す概略図である。

塩水は陽極液供給口（１０）より陽極室（２）に供給さ
れ、電気分解を受は発生した塩素ガスとの？Ｊ’ｌ相流
となって陽極液排出口（１１）より取り出され塩素カス
と塩水とは陽極液気液分離ｔＭ（１４）で分間Ｉされる
。カスを分離した実質的に塩素ガスを含まない塩水は陽
極液ポンプ（１５）により該陽極液供給ｏ（１０）から
陽極室（２）に循環供給される。

陰極液の流れも同様であり、陰極液は陰極液供給口（１
２）より供給され、陰極室（乙１で発生する水素カスと
の混和流となって陰極液排出口（１３）より取り出され
、水素ガスと陰極液とは陰１！ｉｉ２液気液分離槽（１
６）で分離される。カスを分離し７た実質的にガスを含
まない陰極液は陰極液ポンプ（１７）により該陰極液供
給口（１２）から陰極室（３）へ循環導入される。

電流は＠極ブスバーより供給され、陰極室（３）の陰極
（５）を通り、陰極ブスバーより取り出される。

陽極室（２）では式、 Ｃ１７Ｌ−二虹→１／２ＣＩ？２ なる反応か起こり、陽極室（２］のす）　ｌ）ラムイオ
ンは賜イオン交換膜（１）を通って陰極室（３］に達す
る。一方、陰極室（勺では式、 Ｈ２Ｏ，−上玉→ｉ／２Ｈ２＋　ＯＩ（’なる反応が生
起し、水素カスを発生すると共に、陽極室（２）より陽
イオン交換膜（１）を通過して移動して来たすｌ・リウ
ムイオンを受けて苛性ソータを生成する。

電極室内゛へ供給され、その中を貫流する電解液は発生
ガスを伴なって電極室外へ運ばれ、分離槽（１４）、　
（Ｌ６）によってガスを分離した後、再び電極液供給口
（１０）、　（１２）へ少なくとも一部を還流せしめる
循環液とすれば、電解液の濃度を適宜に調整することも
でき有利である。

叙」二の通り、本発明によれば陽イオン交換膜により陽
極室と陰極室に区画された電解槽において、陽極及び陰
極に非多孔性のガス・液卵透過性′市極を用いて前記陽
・陰画電極室に電解液を高速で貫流させることにより、
高品質の金属水酸化物水溶液を低電圧でしかも効率よく
製造することかできる。

次に本発明をさらに具体的に説明するために実施例を示
すが、本発明の思想はそれら実施例により限定されるも
のではない。

実施例１４ 陽イオン交換膜として「ナフィオン９０１（１）ｕＰ　
ｏ　１１Ｌ社）」を第２図に示された水平型電解槽にと
りつけ、食塩水の電解を行なった。通電部のＣ１１積は
幅６００ｍｍ、長さ１２０口ｍｍであり、陰極には長手
方向に深さ５Ｉｌ］Ｉ１１、中５　ｍｍの溝を１０ｍｍ
ピッチで有し、鉄の表面にＮｉ溶射したガス・液卵透過
性電極を用い、一方、陽極にはチタン平板の表面にＲｕ
　Ｏ２、Ｔ　ｉ　０２をコーティングしたものを用いた
。

極間は陰極の凸状筋の先端が陽イオン交換膜と接触する
ようにし、＠極と陽イオン交換膜の間の距離はスペーサ
ーにより２　ｍｍに保った。電解条件は温度８５℃、陰
極液水酸化ナトリウム濃度３２％、陽極液食塩濃度６５
モル濃度とした。電解液の循環線速度は共に５０　ｃｍ
／／８″、電流密度２ＯＡ／ｄｄで電解を行なったとこ
ろ、電流効率は９５５％、極電圧２．８０　Ｖ　、水酸
化ナトＩＪウム中の食塩濃度４　口Ｐｐｍｃ　５０％換
算値）であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は極間距離と電圧の関係を示すグラフ、第２図は
本発明の一実施態様を示す電解槽の概念断面図、第ろ図
は電解液循環系統例を示す概略図である。 １・・・・陽イオン交換膜　　　　　２・・・・・＠極
室ろ・・・・・・陰極室　　　　　　　　　４・・・・
・・ガス・液非透過性陽極５・・・・・・ガス・液卵透
過性陰極　６・・・・・・陽極室側壁７　・・・・・陰
極室側壁　　　　　　８・・・・・・陽極室背壁９・・
・・・・陰極室背壁　　　　　　１０・・・・・・陽極
液供給口１１・・・・・陽極液排出口　　　　　１２・
・・・・倹極液供給口１３・・・・陰極液排出口　　　
　　１４・・・・陽極液気液分離槽１５・・・・・・陽
極液ポンプ　　　　　１６・・・・・陰極液気液分離槽
１７・・・・・・陰極液ポンプ 特許出願人 鐘淵化学工業株式会社 瓢閂距辣

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　イオン交換膜により陽極室と陰極室に区画された
   電解槽において、陽極および陰極が非多孔性のガス・液
   卵透過性電極であることを特徴とする電解槽。 ２　イオン交換膜により陽極室と陰極室に区画され、陽
   極および陰極がガス・液卵透過性電極である電解槽を使
   用して、前記陽・陰両電極室内に電解液を高速貫流せし
   め、該電解液に電極での発生カスを直ちに前記流れに巻
   き込ませ電極室外へ排出させることを特徴とする電解法
   。 ３、　　’ｉ”ｉｊ：極室を貫流する電解液は、電極室
   外へ排出され、発生カスを分離した電解液の少くとも一
   部を還流せしめた循環液である特許請求の範囲第２項記
   載の電解法。