JPS59200780A - 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ａ、液、
特に塩化アルカリ塩水７容液の水平型電解１１”ｉ及び
それを用いる電解方法に関する。史に詳しくは、長期安
定的に高品質の苛性アルカリを効売良く得るための水平
型電解槽及びそれを用いる電解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
陽極室と下部の陰極室とに区画されている。水平型電解
槽の最も典型的な水銀性電解４ｉ！’＋は、比較的高濃
度の水酸化すｌ−１）ラム溶液が得られるのでこれまで
広く利用されてきた。

しかし乍ら、陰極に用いる水銀が環境汚染物質であるた
め、近い将来休止されるべき運命にある。ところで従来
広く活用されてまた水銀法電解槽及び耐相装置を悉くス
クラップ化することは経済的、産業政策的にも決して好
ましいことではなく、一方、当業界にとっても極めて深
刻な問題である。かかる状況下において、水銀法電解槽
及び耐相設備をスクラップ化することなく、他の安全な
電解槽に転換することは極めて望ましいことである。

かかる見地や）ら、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脱法電解ｉｔ”＋に転換し宿
る技術を開発し、先に特許出願を行なった（特願昭５７
−１．３１３７７等）。

ところで水平型電解槽は水平方向に大きいのが特徴であ
る。このため大型の陽イオン交換膜を使用せさるを得ず
、電解中の僅かな伸び率であっても膜全体としては大き
な伸びとなってｆｊｉ！われる。水平型電解槽に膜を装
着する場合、予め膜か電解中の伸び率と等しくなるよう
に前処理を施すのが通例であるが、膜の伸びは種々の電
解条件によって微妙に変化し、前処理により電解中の伸
ひと全く同一にすることはη１実上不可能に近い。そし
て膜が電解中に装着時に比し膨張すると皺が発生し、厄
介な問題を惹き起こす。先づ第１に皺の発生は膜−電極
間の距離を変動させるはかりでなく、陰極液及び陰極カ
スのスムースな流れを妨げ、電解電圧の上昇、陰極室内
圧の増加及び苛性中に含まれる食塩濃度の増加の原因と
なる。第２に、膜か弛むと電極と衝突厚擦を繰り返すと
共１こ、陰極液の流れにより出じ１近傍にたくられ、ク
ラック発生の因となり、膜の破損を招く。

本発明は上Ｈ己実情に鑑み、これらの問題点を解消する
装置ト１．及び方法を提供するものである。

即ち、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、且つ陽極液の
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
、前記陰極室は液・ガス非透過性陰極板と該陰極板を囲
むように周設された陽極室側壁と該陽イオン交換膜の下
面とにより包囲形成され、該陽イオン交換膜と該陰極板
との間に前記陽極板よりむ大きい間隔で且つ陰極液の流
れに並行して膜緊張用スペーサーを介設してなり、且つ
陰極液導入口及び陰極液と陰極ガスとの混和液排出口を
具備した構造の水銀法電解槽から転換した水平型電解槽
を内容とし、本発明の第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、該陰極室の前記陽イオン交換膜と
液・カス非透過性陰極板との間に陽極板よりも大きい間
隔て且つ陰極液の流れに並行して膜緊張用スペーサーを
介設してなる水銀法から転換した水平型電解槽を用い、
前記陽極板を該スペーサー間に降下せしめ陽イオン交換
＋＋ｔｇを緊張させた状態で電解を行なうことを特徴と
する電解方法を内容とするものである。

以下、本発明の実施態様を示す図面に基づいて本発明を
説明する。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当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として苛性
ソーダをそれぞれ便宜上用いるが、これらによって本発
明を限定する意図を表わしたものではなく、塩化カリウ
ム等の他の無機塩水溶液等にも適用できることは勿論で
ある。

第１１Ｘ１は本発明に用いられる股緊張用スベー→ノー
−か１．；・、枯ｉ板」−に配設された状態を示す植要
図である。

同図において、ロンド状の１模緊張用スペーサー　＋２
４）か陰極板（１６ｊ上に載置された陰極室側壁（１η
の中に並設されている。股緊張用スペーサー（２１１）
の素材としては耐アルカリ性の材料であれは良く、例え
はコム、プラスチック、これらにより全部又は一部を被
覆してなる鉄２ニッケル、ステンレススチール等が好適
に使用できる。該スペーサーは弾性構造から構成される
のか膜を傷つけるおそれかなく、また該弾性反発力で膜
を適度に緊張させつる点で好適である。弾性構造はゴム
や軟質プラスチックを素材とするスペーサーはそれ自体
弾性を有するから何ら特別な配慮を必要としないが、硬
質プラスチックや金属を素材とする場合は、例えば第２
図に示す様にスペーサー（２４）の表面にゴムや軟質プ
ラスチックの如き弾性素材の被覆層（２５）を設ける（
Ａ）、板状体（２６＋の板面にスプリング□□□、板バ
ネ（２８）等を付設する（Ｉ３）等により容易（こ弾性
構造とすることかできる。

また該スペーサーの断面形状は円、楕円、矩形。

多角形等のいずれでも良いか、膜を傷つける角を持たな
い形状のものが好ましい。

上記スペーサー圀）は陰極液の流れの方向に沿って設置
され、その間隔は少なくとも陽極板の寸法よりも大きく
なる必要がある。また該スペーサーは第１図の様に陰極
板」二に載置するたけでも良いが、陰極板に埋め込み固
定することもできる。更に、第３図の様に、陰極室側壁
（１７）と一体的に構成させることも可能である。本例
においてはスペーサー（支））が陰極板（１６）上に接
しない様に構成されているが、接触する様に構成しても
差し支えない。スペーサーの高さと巾に関しては特に制
限はないが、１］は約１ｍＩｎ〜５０ｍｍ。

好ましくは約５　ｍｍ〜２０πｍである。１πｍ未満の
巾では膜が急激に折れ曲る為膜にクラックを発生させる
。又５０πｍを超えると実質電流密層か高くなる為経済
的でない。一方、高さはＷｊ　１　ｍｍ−５０朋が好ま
しい。１馴未満では膜の伸ひを吸収する事か出来ない。

又、５０ｍｍを超えると１模のロスか大きく経済的でな
い。

第４図及び第５図は上記スペーサーを組み込んだ水平型
電解槽の実施態様を示すそれぞれ一部切欠正面図２側面
断面図である。第４図及び第５図において、本発明電解
槽は巾に対して長さの犬なる、好ましくは数倍の長さを
有する長方形の陽極室（１）とその直下に位置する陰極
室（２）とにより構成され、陽極室（１）と陰極室（２
）とは実質的に水平に張設された陽イオン交換膜（３）
によって区画されている。ここで「実質的に水平」とは
、必要に応じて若干傾斜させた場合、例えは約２／１０
程度に勾配を付与した場合をも包含する。

本発明に好適な陽イオン交換膜としては、例エバ、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ボン重合
体よりなる膜は、米国のイー・アイ・テュホン・デ・ニ
モアス・アンド・カンパニー（Ｅ＋Ｉ、　Ｄｕ　Ｐｏｎ
ｔ　ｄｅ　Ｎｅｍｏｕｒｓ　＆　Ｃｏｍｐａｎｙ）より
商品名「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。

Ｆ３ 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、好ましくはり、１００乃至１゜５００て
あり、ここに当量重量とは、交換基当量当りの乾燥膜の
重量（ｙ）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か著
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ずのみである。

陽極室（１）は蓋体（４）と、陽極板（１２）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、陽極板Ｇ２）は
蓋体（４）に立設された陽極）Ｖ型装置１“帽７）で懸
垂され、ｌ’Ｌ５　イ・ム！ノ！ν電杯カバー（９）で
おおわれた陽極導電棒（６）と接続されている。各陽極
曽電棒（６）は陽極フスバー（８）で互いに電気的に連
結されている。蓋体（４）は陽極導電棒カバー（９）を
挿通する孔（１０）を有し、１法孔（１０）はシー）　
（１１）により気密にシールされている。陽極導電棒（
６）の下端には陽極板（１２）が取付４フられており、
かくして陽極板（１２）は陽極）区垂装置（７）に連結
されているため、陽極）賢垂装置（７）を操作すること
により上下に昇降調節可能で、陽イオン交換膜（３）に
接触するよう配置することができる。も一つとも陽極板
は蓋体に立設された陽極）置型装置から）は垂される場
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
の陽極液尋人口（１３）を有しており、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、陽極液排出口（Ｍｌは少なくとも１偏設けられ、
これらは該側壁（５）に設けることができる。また、該
蓋体（４）または該側壁（５）の適宜箇処に陽極ガス（
塩素カス）　ｊＡ：出口（１５）をイ誼えている。

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、水銀法電解槽を構成する蓋体及び
陽極室側壁を転用すれは良いか、このは力ζ塩素に耐え
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かで
きる。

さらに」二記金属、弗素系ポリマーまたは硬質コム等を
ライニングした鉄を用いることもてきる。

陽極反応を行なう陽極板（］２）はグラファイト陽極を
用いることもできるが、チタンあるいはタンタルのよう
な金属に、例えは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か好
ましい。もちろん水銀法電解槽に用いられている陽極板
を同し寸法、同じ形状のままで使用すると経済的である
。

次いで陰極室（２）は陽イオン交換膜（３）の下表面と
陰極板（１６）と、該陰極板の縁に沿って該陰極板を囲
むように立設された陰極室側壁（１７）とによりｉ＋ｊ
ｉ成され、陽イオン交換１］ルロ３）と陰極板（１６）
との間に膜緊張用スペーサー（２４）か陰極液の流れと
並行に介装されている。陰極室側壁（］７）は剛性を何
する枠縁のこときもので構成することかできるし、弾性
を有するゴム、プラスチック等のパツキン状弾性体のも
ので構成することも可能である。

さらに、陽極室側壁の下部フランジ部に対峙する１（セ
極板の周縁部を残して、陽イオン交換膜を介して該陽極
と向い合う部分を削り取り、残った陰極板の周縁部を側
壁として構成することも可能である。陰極板の周縁に薄
層のバッキングを設置し、該陽極板（１２）を該陽極室
を構成する側壁下部のフランジ面より上方に固定し、該
陽イオン交換１模の可撓性（フレキシビリティ）を利用
して該陽イオン交換膜を陽極室側壁内面に沿イつぜで張
装して陰極室を形成させることもできる。

陰極室側壁（１ηの構成材料としては、上記した材料の
他に苛性ソーダ等の苛性アルカリに耐える材料であれ（
寸゛特に制限はなく、鉄、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。また、鉄基材トに耐
アルカリ性材料をライニングした材料も好適に使用でき
る。さらにまたゴム、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、たとえは天然コム
、ブチルゴム、エチレンプロピレンコム（Ｅ　Ｐ　Ｒ）
などのコム系材料、四フフ化エチレン重合体、四フフ化
エチレン−六フ゛ン化プロヒレン共重合体、エチレン−
四フッ化エチレン共重合体などのフッ素系樹脂材料、ポ
リ塩化ヒニル２強化プラスチック（ＦＲＰ　）などが例
示される。

本発明に使用される陰極板（］６）は水銀法電解槽の底
板を転用すれは極めて経済的である。底板は通常腐食や
水銀によるエロージョン、電極の短絡等により粗面とな
っており、これをそのまま転用すると陽イオン交換膜か
接触摩擦して破損する虞れがある。そこで予め平消化し
て転用するのが望ましい。平渭化はニッケル、コノ＜ル
ト、クロム２モリブテン、タンクステン、白金族金属、
銀′、５〜によるメッキ、ニッケル、オーステナイト系
ステンレス鋼等の薄板の接着、機械的研磨ツｔ−により
行なえは良い。勿論これらの表面に水素過電圧低下処理
を施すことは望ましい態様である。水素過電圧低下処理
は例えはニッケル、コバルト、クロム、モリブデン、タ
ックステン２白金族金属、銀、これらの合金及びこれら
の混合物をフレームもしくはプラズマ溶射。

又はメッキすることにより為される。

陰極液導入口（１９）及び混和液排出口■）は陰極室（
２）内に該混和液の流れを生じせしめることができれは
良い。従って、該混和液の流れを電解槽の長さ方向・幅
方向のいずれに形成せしめても良いが、後者の方が導入
口・排出口間の圧力差及びＧ／Ｌ（単位陰極液中に含有
される陰極ガスの比率）を小さくすることかできるので
より好ましい。この目的のためにスリット状導入口は好
ましい一態様である。水銀性電解槽の底板を転用する場
合には、該底板に予め穿設されている組立用ホルト孔を
ｌそのまＸ或は適当に加］−して尋人口、排出［」に利
用しても良い。

また、陽極室側壁のフランジから、又は該フランジに対
峙する陰極板の周縁部からそれぞれ陰極板の水平面に対
し略垂１１〕方向に陰極液を導入し、排出し得るように
導入口、排出Ｉ］を設けると、容易に極間距離を小さく
することかできる。

第６図は、第５図に示した水平型電解槽の陰極液循環系
統を示す概略図である。第４図及び第６図に基づいて説
明する。

陽イオン交換膜（３）を装着し、図示した如く、陽極板
（１２）を陽極）Ｖ爪装置（７）を操作することにより
ゆっくりと下降させ適度ｊ（緊張状態に張設する塩水は
略飽和状態で陽極液導入口より陽極室（１）に供給され
、電気分解を受け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される。

必要ならば淡塩水は一部循埠して電解槽内ての塩水濃度
やＰ　Ｈの均一化を図ることができる。

この場合、塩素カスと淡塩水を同し排出Ｉ］よりとりだ
し］）・１１外で気、／ｒり分りする小も出来る。また
図示してないか、陽極液導入口に接続して陽極室内の略
全長に亘って伸ひる陽極液分散管を設り、該分散ｉ′テ
）に適宜Ｉｊｉ＋　ｌ’１“（？１を置いて設けた穿孔
より陽極液を陽］、５・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ｉｆりは陰極液尋人口（１９）より供給され、陰極
室（２）で発生ずる水素ガスとの混和流となって混相液
４Ｊｌ出Ｄ　ｔ２０）より取り出され、水素ガスと陰極
液とは分１４１ｉ器（２１）で分離される。ガスを分肉
ｌ′：した実質的にガスを含まない陰極液はポンプ（２
２）により該１（Ｓｆｉ極液桿入口（１９）から陰極室
（２）へ循環導入される。分ｇｌｌ器（２１）及びポン
プ（２２）は複数の電解（１：’ｉに対して１個でもよ
いし各電解槽毎に設けても良い。

電流は陽極ブスが−（８）より供給され、陰極室（２）
、陰１・〕４板（１６）を通り、陰極フスバー（１８）
より取り出される。

陽極室（１）では式、 ＣＺ　□１／２Ｃ１２ なる反応か起こり、陽極室（１）のすトリウムイオンは
陽イオン交換膜（３）を通って陰極室（２）に達する。

一方、陰極室（２）では式、 Ｈ２Ｏ−」−→１／２１（２＋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）より陽イオン交換膜（３）を通過して移動して来
たナトリウムイオンを受けて苛イ牛ソータを生成する。

陰極室内へ供給され、その中を貫流する陰極液は水素ガ
スと生成した苛性ソータを伴なって陰極室外へ運はれ、
分離器（２１）によって水素カスを分離した後、再ひ陰
極液導入口（１９）へ少なくとも一部を還流せしめる循
環液とずれは、苛性ソーダの濃度を適宜に増大すること
も、また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。

尚、電解中膜の膨張やボルト等の弛みにより１、膜の緊
張状態にたるみを生じたときは適宜陽極懸垂装置により
陽極板を下降させ、常に適当な緊張状態に保Ｆ″ｊする
。更に図示していないが、陰極底板を慣通ずる液シー°
ルされたボルトによりスペーサー上端を押し上ける事に
よっても緊張を保持する事も出来る。

成上の通り、本発明によれは極めて簡易な方法及び装置
：４ｊにより膜を好適な緊張状態にＸａ持させ乍ら電解
を行なうことができるがら、１１分の弛みに起因する電
解電圧の上昇、陰極室内圧の上昇、苛性中の食塩濃度の
増加、膜の損傷等の問題を悉く解消することができる。

この様に本発明の電解槽は水銀状電解槽を転換して容易
に製造するこきができ、電解槽のみならず、ブスバー、
整流器、演壇水処理設備。

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、水銀状電解槽の転換
を経済的に頗る有利に行なうことができ、その有用性は
頗る大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いられる膜緊張用スペーサーを陰極
板上に配設した状態を示す概要図、第２図ｆＡ）＋（Ｂ
）及び第３図はいずれも膜緊張用スペーサーの実施態様
を示す概要図、第４図及び第５図は本発明電解槽の実施
態様を示すそれぞれ一部切欠正面図、側面断面図、第６
図は第５図で示した電解槽の陰極液循環系統例を示す概
要図である。 １・・・陽極室　　　　　　　２・・・陰極室３・・・
陽イオン交換Ｐ！４・・・蓋体５・・・陽極室側壁　　
　　　６・・・陽極導電棒？・・・陽極（貿垂装置　　
　　８・・・陽極ブスバー９・・・陽極導電棒カバー　
１０・・・孔１１・・・シート１２・・・陽極板

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Ｊ
   ニーＦｉｌ≦の陽極室と下部の陰極室とに区画され、１
   ）１ｊ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、且つ陽極液の
   尋人Ｉ］及び１ノ１出ロ並に陽極カス排出口とを具備し
   てなり、前記陰極室は液・ガス非透過性陰極板と該陰極
   板を囲むように周設された陰極室側壁と該陽イオン交換
   膜の下面とにより包囲形成され、該陽イオン交換膜と該
   陰極板との間に前記陽極板よりも大きい間隔て且つ、１
   仝極液の流れに並行して膜緊張用スペーサーを介設して
   なり、且つ陰極液導入口及び陰極液と陰極カスとの混和
   液排出口を具備した構造がら　３なる水銀性電解槽から
   転換した水平型電解槽。 ２、膜緊張用スペーサーが弾性構造からなる特許請求の
   範囲第１項記載の電解槽。 ３、弾性構造かスペーサーの上１１ｉｉに弾性材料を設
   けてなる特許請求の範囲第２項記ｊ挾の電解槽。 ４、弾性構造がスペーサーの下面にバイ機構を設けてな
   る特許請求の範囲第２項又は第３項記載の電ｊヅメ槽。 ５、　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
   陰極室の前記陽イオン交換膜と液・カス非透過性陰極板
   との間に陽極板よりも大きい間隔で且つ陰極液のｂ）シ
   れに並行して膜緊張用スペーザーを介設してなる水銀法
   から転換した水平型電解槽を用い、１）訂記陽極板を該
   スペーサー間に降下せしめ陽イオン交換膜を緊張させた
   状態で電解を行なうことを特徴とする電解方法。