JPS59197583A - 水平型電解槽及びそれを用いる電解方法 - 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ゲン化物水溶液、特
に塩化アルカリ塩水溶液の水平型電解槽及びそれを用い
る電解方法に関する。

詳しくは、電解隔膜として陽イオン交換膜を用いた水平
型電解槽において低い電解電圧で、主として高品質の苛
性アルカリを効率良く得るための装置及び方法に関する
ものである。

水平型電解槽は、水平に張設された隔膜によって上部の
陽極室と下部の１会極室とに区画きれ、一般に目的とす
る電解生ＩＪｌｊ物、例えば苛性アルカリばｌ’ｈ極室
で生成するため、隔膜を通して陽極室へ移動することが
ないといつ利点から、従来工業的に可成り利用されて来
た。

また、水平型電解槽の最も典型的な例として、水銀法罐
解槽があるが、陰極に用いる水銀が環境汚染物質である
ため、近い将来休止すべき運命にある。かかる水銀陰極
電解槽を、水銀を用いなり隔膜法電解槽に、極力少ない
費用を以って転換せんとすれは必然的に水平型の隔膜法
電解槽に改造することとなり、かような水平型隔膜法電
解槽で、水銀法に劣らぬ品位の電解生成物を、謂い電流
効率を以って生産する方法の開発は当業界の直面する重
要課題である。

上記水銀法電解槽を水平型隔膜法電解槽に転換する方法
が特公昭５３−２５５５７号公報に開示されているが、
これによって得られた電解槽は濾隔暎を用Ｉ／またもの
であり、濾隔暎は透水率が大きく、従って陽極室液が隔
膜を水力学的に透過し、陰極室で生成する、例えば苛性
アルカリ中に陽極液が混入し純度を低下せしめる欠点が
ある。

一方、密隔膜と。呼ばれる陽イオン交換膜は水力学的に
電解液を透過することなく、電気的に移動するアルカリ
金属イオンと共に配位した水分子が透過するのみである
から島純度の−ｆｊｊ性アルカリを得ることができる反
面、透過した僅かな水分は蒸発し、陽イオン交換膜と陰
極との間に導電４良を来たし、遂には臘解反応が停止し
てし丑う。

かかる問題を解決する為、特開昭４９−１２６５９６号
公報及び同５０−５５６００号公報には陽イオン交換膜
と１状極との間に水分保持体を存在させる方法、及び陰
極に苛性アルカリ溶液を噴霧状又は噴水状で供給しなが
ら電解する方法が、それぞれ提案てれている。

しかしながら、特開昭４９−、１２６５９６号公報によ
って提案された方法は、水分保持体を介在させる手数及
び水分保持体の耐久１注の問題があるのみならず、陽イ
オン交換膜と陰極との間に水分保持体を介在させた場合
、極間距離、が拡大すると共に水分保持体による抵抗増
は電解電圧を増大し、性能的に有利な方法とは云えない
。また特開昭５０−５５６００号公報にて提案された方
法は、商業用電解槽のような大型の場合、水分の噴射・
供給を均一に行なうＣとは困弧であり、実用化の面で難
がある。

かかる実情に鑑み、本出願人は鋭意研究を進め水銀法電
解槽を有利に陽イオン交換暎法電解漕に転換し得る技術
を開発し、先に特許出願を行なった（特願昭５７−１３
１３７７等）。

上記技術において、水銀法電解槽の陰極爪板を陽イオン
交換説法電解槽の陰極板に転用すれば極めて経済的且つ
技術的に有利である。しかし乍ら、陰極底板は水銀にょ
るエロージョン、電極の短絡等に、ｒ、り凹凸ラック等
が生じており、［漢の破損を防ぐためにはこれらの平滑
化処理が必要で、更に近時のエネルギー費の高騰に対処
する為に低水素過電圧処理等を施すことが望ましい。し
かるに、陰極底板は一般に大きく、丑たＭ景物であるた
め、上記処理を施すために、解体し、運搬することは極
めて困難であり、寸た大容渚の処理槽を必要とし、その
処理作業自体も甚々厄介である。

不発【１１者等は上記実情に鑑み、これらの問題点を解
消すべく鋭意取り組んた結果、本発明に到達したもので
ある。

即ち、上記目的を達成するための本発明の第１は、 実質的に水平に張設された陽イオン交換膜により上部の
陽極室と下部の陰極室とに区画され、前記陽極室は実質
的に水平な陽極板を有し、蓋体と、該陽極板を囲むよう
に周設された陽極室側壁と、該陽イオン交換膜の上面と
により包囲形成され、且つ＠極液の導入口及び排出日並
に陽極ガス排出口とを具備してなり、前記陰極室は陰極
底板及び／又は陰極板とこれらの周縁に立設された陰極
室側壁と前記陽イオン交換膜の下面とにより包囲形成て
れ、且つ該陰極室は前記陰極底板より適宜間隔離し、て
設置はれたガス・液部透過性陰極板を有し、更に陰極液
の導入口、及び１窃極ガスと陰極液との混相液の排出口
、又は陰極／１ケ排出口及び陰極ガス排出口を具備して
なる水平型′電解槽を内容とし、本発明の四２は、 実質的に水平に張設された陽イオン交換膜により区画さ
れた上部の陽極室と下部の陰極室とからなり、該陰極室
が陰極底板、ｌ：り適宜間隔離して設置されたガス・液
部透過性陰極板を有してなる水平型電解槽を用い、該ガ
ス・液部透過性陰極板上に陰極液の流れを形成させ、該
陰極板上で発生する陰極ガスを巻き込丑せ陰極ガスと陰
極液との混相液とすることを特徴とする電解方法全内容
とする。

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す＜、他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。

第１図は本発明の実施席様を示す電解槽の正面１折面図
である。

第１図において、本発明装置は幅に対し長さの犬なる、
好ましくは数倍の長さを何する長方型の陽極室（１）と
その直下に位置する陰極室（２）と、Ｊ：９なジ、陽極
室（１）と陰極室（２）とは、実質的に水平に側壁間に
張設された陽イオン交換膜（３）によって区画される。

本書中「実質的に水平」とは、必要に応じて若干傾斜さ
せた場合（２／１０程度迄の勾配を付与した場合）をも
包含するものとする。

本考案に好適な陽イオン交換膜としては、例えば、陽イ
オン交換基を有する／く−フル：Ａ−ロカーボン重合体
からなる膜を挙げることができる。

スルホン酸基全交換基とするパーフルオロカーボン東合
体よりなる膜は、米国のイー・アイ・テユボン・デ・ニ
モアス・アンド・カンノぐニー（Ｅ、１．Ｄｕ　　Ｐｏ
ｎｔ　　ｄｅ　　Ｎｅｍｏｕｒｓ＆Ｃｏｍｐａｎｙ）、
１：すＭ品名「ナフィオン」として市販さｎ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２，０００、好’ｆＬ、＜は１，１００乃至１゜５０
０である。ここに当量重量とは、交換基当晴当りの乾燥
膜の重量σ）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ボ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（１）は蓋体（４）と、陽極板α埠を囲むように
延設された陽極室側壁（５）と、陽イオン交換膜（３）
の上表面とにより画成されており、陽極導電棒（６）は
蓋体（４）に立設された陽極懸垂装置（７）で懸垂され
、各陽極導改捧（６）は陽極ブスバー（８）で互いに４
気的に連結式れている。蓋体（４）は陽極導電棒カバー
（９）を挿通する孔００）を有し、鎖孔ｕＱはシート０
υに、ｒ、ジ気密にシールσ６゛れている。陽極導電棒
（６）の下端には陽極板＠が取付けられており、かくし
て陽極板ｑつは陽極懸垂装置（７）に結絡されているた
め、陽極懸垂装置（７）を操作することにｘｖ上下に昇
降調節可能で、陽イオン交換膜（３）に接触するエラ配
置することができる。もつとも陽極板ａのは蓋体に立設
された陽極懸垂装置から懸垂される場合に限られず、他
の方法により懸垂あるいは支持されていても差し支えな
い。

さらに陽極室は少なくとも１個の陽極液導入口（１→を
イ１”しており、これらは該蓋体（４）−または陽極室
側壁（５）に設けることができる。一方、陽極液導入口
（１４）は少なくとも１側設けられ、これらは鎖側ｉｐ
　（５）に設けることができる。捷た、該蓋体（４）丑
たは該側壁（５）の適宜箇処に陽極ガス（塩素ガス）排
出口ａのを備えている。

上記の陽極室（１）を構成する蓋体（４）および陽極室
側壁（５）としては、水銀性電解槽を構成する蓋体及び
陽極室側壁を転用することもでさるし、オたユ）４累に
血１える材質であれば特に制限はなく好適に使用するこ
とができる。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。

さらに上記金属、弗素系ポリマーまたは硬質ゴム等をラ
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板＠はグラファイト陽極を用いる
こともできるが、チタン８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
らの混合物を何する被覆を施した不溶性陽極が好ましい
。もちろん水銀性電解槽に用いられている陽極板を同じ
寸法、同じ形状のままで使用することができる。

次ηで陰極室（２）は陽イオン交換１漢（３）の下表面
と）な極底板α６）上に支持部（ハ）を介して設置でれ
たガス・液部透過性陰極板（至）と該陰極板（財）を囲
むように立設された陰極室側壁（１カとにより画成され
る。

ガス・液部透過性陰極板（ハ）と陰極底Ａｆｉ　（ＩＱ
とは支持部（イ）又は別の電気的接続手段により電気的
に接続されてｂる。ガス・液部透過性陰極板（財）は鉄
、ニッケル、ステンレススチール、銅、高クロム鋼等の
耐食性材料からなり、巨視的に平面と同一視し得るもの
であれば良く、ｆ：た陰極液の流れの方向に凸状筋を具
えた凸凹構造を有するものであっても奥ｂ０史に適宜間
隔を２いて小突起を有してもよめ。

凸凹構造は、例えば平板に並行なみそをけずり出す、平
板に丸棒、角棒等よＶなる細い棒状体を溶接に、ｌ：ｖ
取り付け、又は一体的に突設して凸凹構造とすることが
出来る。更Ｋまた、陰極板そのものを波板を使用して作
ることが出来る。波形は特に制限はなく、矩形波状、梯
形波状、正弦波状、円形状、サイクロイド状等が単独又
は組合せて使用することが出来る。また凸凹は流れ方向
に向って必ずしも連続である必要はなく、途中で切れて
いても良い。上記陰極の表向に水素過電圧を低下せしめ
るためのニッケル、銀の溶射、ニッケル合金メッキ等を
（１色したものを好適に使用することができる。該支持
部（ハ）の１１：Ａ質は該１筬極と同じであってもよく
、貰た異なっていても差し支えない。また、前記の如く
電気的１続を別途行うならば、弗素系樹脂等の非電導性
材料であっても良い。凸凹構造を何する非多孔性陰極板
を使用する場合は、凸部とイオン交換膜とが隣接又は接
触していることが好ましい実施慇様である。この場合、
凸状筋が陰極液ガス混相液を流す際に一種のガイドレー
ルとして機能する。

本発明の陰極構造は、水銀性電解槽を水平陽イオン交換
癌性電解槽に転換する場合に特に有利である。即ち、陰
極底板と略同寸法の上記陰極板を前もって製作し、これ
を陰極底板の上に支持部を介して電気的に接続はれた状
態にすれは、陰極底板をラインから外すことなく容易に
１窃極備造を形成することができる。捷た陰極板に溶射
、メッキ等による低水素過電圧処理をＵ＆こず場合も、
陰極底板を製造ラインから外すことなく、前もって処理
を施こした陰極板を底板上に接続すれば良く、施工上非
常に句゛利である。

更にまた、Ｗ＆水素過電圧の再処理を実施する場合は、
陰極板のみを外し、再処理することが出来る。

陰極室側壁ｑηは剛性を且する枠縁のごときものでｆｆ
’ｉ成することができるし、弾性を何するゴム、プラス
チック等のバッキング状のもので構成することも可能で
ある。

陰極室側壁（１７）の構成材料としては、苛性ソーダ等
の苛性アルカリに耐える材料であれは特に制限ハなく、
＆、ステンレススチール、ニッケル、ニッケル合金等を
使用できる。寸た、鉄基材上に１（ｌｌ・（アルカリ性
材料をライニングし食し料も好適に使用できる。さらに
丑たゴム、プラスチック等の材料も使用することができ
る。かかる材料としては、たとえば天然ゴム、ブチルゴ
ム（エチレンブロピンンゴム（ＥＰＲ）４どのゴム糸４
シ料、四フッ化エチレン重合体、四フッ化エチレンー六
フッ化プロピンン共１ｉ　合体、　エチレン−四フッ化
エチレン共重合体などのフッ素系ポリマー（シ料、ポリ
塩化ビニル、強化プラスチック（Ｆ　＋＜、　Ｐ　）　
ｙｘどが例示きれる。

仄に１へ極液−）￥人口および１窃極ガスと陰極液の混
相液の排出口であるが、…Ｊ記陰極室（２〕に陰極液と
１会極ガスとの混Ａ目液の流れを生せしめることができ
ればよい。従って陰極底板（１６）またはｌ筬極室側壁
αηの適宜箇処に設けることができる。

第１図において、導入口（１９）及びυＦ出口（４）は
それぞれ陰極側壁部に設けられている。陰極１’＆導入
口の断面構造は、前記の如く陰極液の流れを生せしめる
ことができれば十分で、特に制限はないが、陰極液が均
一に流れることが好ましく、この目的のためにスリット
状の導入口は好ましｌＡ謙様である。混相液流の方向は
電解槽の長平方向あるいはこれＶ？Ｃ垂直な方向等のい
ずれでもよい。

第２図及び第３図はそれぞれ本発明電解槽の他の実施汝
様を示す側面断面図で、′第２図において、陰極液導入
口（１９）及び混相液排出１コ（４）はそれぞれ陰極室
側壁部に設けられているが、陰極液の流れが電解槽の幅
方向になるように構成されている。第３図において、陰
極底板ＯＱ及びガス・液卵透過性１へ極板（財）の略中
央部から陰極液が垂直方向に導入きれるように導入口（
１９）が設けられ、両端部から垂直方向に混相液が排出
されるように排串口翰が設けられている。

第４図は本発明電解槽の更に他の実施簡様を示す側面断
面図で、陰極液導入口０９）が陰極底板０６）及び陰極
板（ハ）の一端から略垂直方向に陰極液が導入されるよ
っに設けられ、他端の側ｊ炉部に陰極ガス排出口１２０
が、寸た、陰極底板（Ｉ６）に垂直方向に排出されるよ
うに陰極液排出口（５）が設けられている。即ち、陰極
液は導入口（］、９）より陰極室（２）門に導かれ、陰
極板シ→上で発生する陰極ガスを、８き込み気液混相液
となって、陰極板の下方に形成された空間部に達し、こ
こで気液分離され１筬極ガスは排出口にＱから、陰極液
は排出口（イ）力・らそれぞれ取り出される。

第５図は本発明′電解槽の更に別の実施寒様を示す側面
断面図である。ｌ陰極液導入口（１９）は１陰極室側壁
部に設けられ、液ガス非透過性陰極板■の下方の気液分
、＠室（財）で分離された陰極液とｌな極カスは各々：
陰極板（ハ）の下方に取り付けられた１陰極ガス排出口
ｆ２Ｑ及び陰極液排出口（ハ）から取り出される。

第６図は、本発明に、ｌ：り水銀状電解槽を陽イオン交
換暎法電解槽に転換した水平型陽イオン交換暎法電解槽
の断面図および陰極液循環系統を示す概略図である。

塩水は略飽和状態で陽極液導入口よ！ｌｌ陽極室（１）
に供給きれ、電気分解を受（げて発生した塩素ガスは陽
極ガス排出口より取り出し、淡塩水は陽極液排出口から
排出はれる。

必要ならば淡塩水は一部循環して電解槽内での塩水濃度
やｐ　Ｈの均一化を図ることができる。

また図示してないが、陽極液導入口に接続して陽極室内
の略全長に亘って伸びる陽極液導入口を設け、該分散管
に適宜開隔を置いて設けた穿孔よ−り陽極液を陽極室内
に分散供給することにより、陽極室内の陽極液を均一化
することもできる。

陰極液は陰極液導入口（１９）より供給はれ、陰極室（
２）で発生する水素ガスとの混相流となって混相液排出
口（イ）、ｌ：りＡｙ、り出てれ、水素ガスと陰極液と
は分離器Ｑ１）で分離される。ガスを分離した実質的に
ガスを含まない陰極液はポンプ（イ）により該陰極液導
入口０りから陰極室（２）へ循＠導入される。分離器（
２◇及びポンプ（イ）は複数の電解槽に対して１個でも
よいし各電解槽毎に設けても良い。

電流は陽極ブスバー（８）より供給され、陰極室（２）
の陰極弼、支持部（ハ）、陰極底板（１０を通り、陰極
ブスバー０８）よ！ｌｌ取り出される。

陽極室（１）では式、 ｃｒニーニー６　　　１／２Ｃ１２ なる反応が起こシ、陽極室（１）のナトリウムイオンは
陽イオン交換膜（３）を通って１会極室（２）に達する
。一方、陰極室（２）では式、 Ｈ２Ｏ”’　　　１／２Ｈ２＋ＯＨ− なる反応が生起し、水素ガスを発生すると共に、陽極室
（１）　、１：　！１１陽イオン交換膜（３）を通過し
て移動して来たナトリウムイオンを栄けて苛性ソーダを
生成する。

陰極室内−・供給され、その中で貫流する陰極液は水素
ガスと生成した苛性ソーダを伴なって陰極室外へ運ばれ
、分離器Ｑ１）によって水素ガスを分離した後、再び陰
極液尋人口０９）へ少なくとも一部を還流せしめる循環
液とすれば、苛性ソーダの濃度を適宜に増大することも
、ｉｆｃ途中で水を以って稀釈し濃度を調整することも
でき有利である。

成上の通り、本発明によれば、水平型陽イオン交換膜状
電解槽において高品質の苛性アルカリを低電圧でしかも
効率よく製造することができる。更に本発明の電解槽は
水銀性電解槽を転換して容易に製造することができ、電
解槽のみならず、ブスバー、整流器、沃塩水処理設備、
塩水系設備等、殆どすべての現存設備をスクラップする
ことなく転用することができる為、水銀性電解槽の転換
を経済的に頗る有利に行なうことができる。

更にまた、本発明によれば陰極底板をラインから外すこ
となく、予め表面加工や低水素過電圧処理を旋した平板
を陰極底板上に取り付ければ良い。丑た、該底板と同寸
法の一枚ものでも良いが、要すれば複数に分割すること
もでき、加工作業性、運搬、取り扱い等において頗る有
利であるのみならず、加工精度や均一性の管理を一層効
果的に行なうことができる。加えて再加工、再処理等も
容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明電解槽の買置態様を示す正面断面図、第
２図乃至第５図はそれぞれ他の実施所様を示す側面断面
図、第６図は水銀性電解槽を［場イオン交換暎法電解槽
に転換した水平型陽イオン交換１嘆法電解曲の側面断面
図および陰極液循環系統例を示す概略図である。 １゛；揚極室　　　　　２・・用会極室；３・・陽イオ
ン交換膜　４　Ｍ体 ５−・陽極室側壁　　　６パ陽極導電捧７°陽極懸垂装
置　　８　・陽極ブスバー９　゛陽極）９電棒カバー１
（１−°孔１１・・・ンート１２・・・陽極板 １３“・陽極液尋人口　　１４・・陽極液排出口１５・
・陽極ガス排出口　１６・・陰極底板１７・・・陰極室
側壁　　１８・・・陰極ブスバー１９・・陰極液尋人口
　　２ｏ・・陰極混相液排出口２１°°°分離器　　　
　２２・・ポンプ２３”°バッキング　　２４・・陰極
板２５・・・支持部　　　　　２Ｇ・・陰極ガス排出ロ
２７°°陰極液排出口　２８・・・気液分離室特許出願
人 鐘淵化学工業株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、実質的に水平に張設された陽イオン交換膜により上
   部の陽極室と下部の陰極室とに区画され、前記陽極室は
   実質的に水平な陽極板を有し、蓋体と、該陽極板を囲む
   ように周設された陽極室側壁と、該陽イオン交換）漢の
   上面とにエリ包囲形成され、且つ陽極液の導入口及びす
   １．出口並に陽極ガス排出口とを具備してなり、前記陰
   極室は陰極底板及び／又は陰極板とこれらの周縁に立設
   された陰極室側壁と１」１」記陽イオン交換１漢の下面
   とにより包囲形成され、且つ該陰極室は前記陰極底板よ
   リフ画室１ｉ１隔離して設置されたガス・液卵透過性陰
   極板をイ１し、更に砲極液の導入口、及び陰極ガスと陰
   極液との混和液の排出口、又は１＠極液排出口及び陰極
   ガス排出口を具備してなる水平型電解槽。 ２、　ガス・液卵透過性陰極板が陰極底板上の支持部を
   介して設置された特許請求の範囲第１項記載の電解槽。 ３　ガス・液卵透過性陰極板の表面が凸凹構造である特
   許請求の範囲第１項記載の電解槽。 ４、ガス・液卵透過性陰極板の下方を陰極液と陰極ガス
   とを分離する気液分離室とした特許請求の範囲第１項記
   載の電解槽。 ５　前記電解槽が水銀法電解槽、Ｊ：９転換された特許
   請求の範囲第１項記載の電解槽。 ６、実質的に水平に張設をれた陽イオン交換膜にエリ区
   画された上部の陽極室と下部の陰極室とからなり、該陰
   極室が陰極底板より適宜間隔離して設置されたガス・液
   卵透過性陰極板を何してなる水平型電解槽を用い、該ガ
   ス・液卵透過性陰極板上に陰極液の流れを形成σせ、該
   陰極板上で発生する陰極ガスを巻き込丑せ陰極ガスと陰
   極液との混和液とすることを特徴とする電解方法。 ７　ガス・液卵透過性陰極板の一方からＩ窃極液を供給
   し、該陰極板の背後に設けられたを間部で気液分離を行
   なわせ、気液分離した陰極ガスを陰極ガス排出口より排
   出し、一方陰極液を該Ｉ会極板の下方に堺き排出する特
   許請求の範囲第６項記載の電解方法。