JPS5920481A - 電解槽及び電解槽の転換方法 - 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電解槽に関する。

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、一般に目的とする
電解生成物、例えば苛性アルカリは陰極室で生成するた
め、隔膜を通して陽極室へ移動することがないという利
点から、従来工業的に可成９利用されて来た。

ま念、水平型電解槽の最も典型的な例として、水銀法電
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、水銀を用いない隔膜法電解槽に、極力少ない
費用を以って転換せんとすれば゛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、高い電
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５８−２５５５７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膜を用いたものであ
り、濾隔膜は透水率が大きく、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
ら高純度の苛性アルカリを得ることができる反面、透過
し几僅かな水分は蒸発し、陽イオン交換膜と陰極との間
に導電不良を来たし、遂には電解反応が停止してしまう
。

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
と陰極との間に水分保持体を存在させる方法、及び陰極
に苛性アルカリ金属を噴霧状又は噴水状で供給しながら
電解する方法が、それぞれ提案されている。

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
水分保持体の耐久性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几場合、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。ま之
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
均一に行なうことは困難であり、実用化の面で難がある
。

本発明は叙上の如き従来技術の欠点を解消するためにな
されたものであり、本発明は水銀法〜； 電解槽から比較的容易に水平型陽イオン交換膜電解槽へ
の転換を可能とし、高い電流効率を以って高品質の苛性
アルカリの生産を可能とするものである。また、かかる
本発明になる電解槽は新材料を用いて新たに建造するこ
とができることは云う迄もない。

すなわち、本発明の目的は、水平型隔膜法電解槽を用い
て高品質の苛性アルカリを高い効率を以って取得するに
ある。他の目的は、新規な構造の陰極を用い且つ高い性
能を備えた改良された型式の水平型隔膜法電解槽を提供
するにある。さらに他の目的は、水平型電解槽から転換
された高性能の水平型隔膜法電解槽、特に水平型陽イオ
ン交換膜電解槽を提供するにある。その他の目的は以下
の記述により順次明らかとなろう・。

上記目的を達成するための本発明は、実質的に水平に張
設された陽イオン交換膜に１９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を
有してなり、蓋体と、該陽極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北面とにより囲繞さ
れ、且つ陽極液の導入口および排出日並に陽極ガス排出
口とを具備してなシ、前記陰極室は実質的に平坦な表面
を有する陰極板と、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囲繞され
、且つ陰極液の導入口および陰極ガスと陰極液との混相
流の排出口を具備して構成されることを特徴とする新規
な電解槽を内容とするものである。

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、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図乃至第３図は、本発明にががる電解槽のそれぞれ
側面図、垂直縦断面図及び垂直横断面図である。

第１図及び第２図において、本発明装置は幅に対し長さ
の大なる、好ましくは数倍の長さを有する長方型の陽極
室（１）とその直下に位置する陰極室（２）とよりなり
、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（１／１０程度迄の勾配を付与した場合
）をも包含するものとする。

本発明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、木口のイー・アイ・デュポンＯデ・ニ
モアス・アンド・カンパニー（Ｅ、１．Ｄｕ　　ｐｏｎ
ｔ　　ｄｅＮｅｍｏｕｒｓ　　＆　　ｃｏｍｐａｎｙ）
より商品名「ナフィオン」として市販されてお９、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光量重量は１，０００乃
至２，０００、好ましくは１．１００乃至１゜５００で
あシ、ここに当量重量とは、交換基当量当りの乾燥膜の
重量（ｇ）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、該蓋体（４）から懸垂さ
れた陽極（６）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−Ｌ表面とによυ画成さ
れておシ、陽極（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（６）は陽極ブスバー
（８）で互いに連結されている。蓋体（４）は陽極導電
棒（９）を挿通する穴（１０）を有し、該穴（１０）は
シート０υによシ気密にシールされている。陽極導電棒
（９）の下端には陽極板（ハ）が取付けられており、か
くして陽極板ａ２は陽極懸垂装置（７）に連結されてい
るため、陽極懸垂装置（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。もつとも陽極は蓋体に立設さ
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０３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（１４）は少な
くとも１側設けられ、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（塩素ガス）排出口ｒｍ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きるし、！、た塩素に耐
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
イニングし友鉄を用いることもできる。

陽極反応を行なう陽極板０埠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。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。

次いで陰極室（２）は陽イオン交換膜（３）の下表面と
陰極板０Ｑ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０７）とにより画成される。

陰極室側壁（１７１は剛性を有する枠縁のどときもので
構成することができるし、弾性ヲ有スるゴム、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。さらに第４図に示すように陰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。水銀性電解槽を改造する場合には陽極室
側壁の下部フランジ部に対峙する底板周縁部を上記の如
く残して側壁とするのが好ましい態様の１つである。さ
らに又、第５図に示す構造においても好適な側壁を提供
することができる。すなわち、陰極板Ｑ６）の周縁に薄
層のバッキング囚）を設置し、該陽極板αのを該陽極室
を構成する側壁下部のフランジ面より上方に固定し、該
陽イオン交換膜（３）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わせて
張装して陰極陰極室側壁Ｑ７）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ば特に制
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、鉄基村上に耐アルカリ性
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、たとえば天然ゴム、ブチルゴ
ム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）などのゴム系材
料、ポリ（四フッ化エチレン）、ポリ（四フッ化エチレ
ンー六フッ化プロピレン）、ポリ（エチレン−四フッ化
エチレン）−１と（Ｄフッ素系ポリマー材料、ポリ塩化
ビニル、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０・は実質的に平坦な表面を
有する。ここに実質的に平坦な表面とは、陰極液と陰極
ガスとの混和流の流れを阻止または邪魔しない程度であ
ればよく、機械加工等による平滑化は特に行なわなくと
も良い。また、水銀性電解槽で使用されている陰極底板
であれば、そのまま使用することができる。陰極板０６
１は鉄、ニッケル、ステンレススチール等の導電性材料
により製造することができる。また、上記材料の表面に
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施したものを好適に使用するこ
とができる。

次に陰極液導入口および陰極ガスと陰極液の混相液の排
出口であるが、前記陰極室（２）、すなわち該陽イオン
交換膜（３）、陰極室側壁０７）および陰極板αＱによ
り囲繞された陰極室（２）に陰極液と陰極ガスとの混相
液の流れを生せしめることができればよい。従って陰極
板０→または陰極室側壁０７）の適宜箇処に設けること
ができる。陰極液導入口の断面構造は、前記の如く陰極
液の流れを生ぜ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い態様である
。混相液流の方向は電解槽の長手方向あるいはこれに垂
直な方向等のいずれでもよい。

第６図は陰極液導入口および排出口を陰極室側壁に設け
た実施態様を示すもので、陰極室側壁α力の１方にスリ
ット状の陰極液導入口０りを設け、一方、該導入口θ９
と対向する他の側壁にスリット状の混相液排出口翰を設
け、該導入口０１より陰極室内に陰極液を均一に分散導
入させ、混和液を該排出口（イ）に集めて排出する。

第７図および第８図は、それぞれ前記導入口を陰極板に
設けた実施態様を示す。第７図は複数の孔よりなる導入
口０９を陰極板ＯＱの１端部に設け、排出口（４）を導
入口ａ９と対向する該陰極板の他の端部に設けたもので
ある；第８図は導入口０Ｏを陰極板０ｅの中央部に設け
、排出口−を該陰極板の両端部に設けた例である。尚、
陰極液導入口および排出口の位置関係は特に制限はない
が、陰極板あるいは陰極室側壁のそれぞれ対向する位置
に設けるのが好ましい。

第９図は、本発明によシ水銀法電解槽を陽イオン交換膜
電解槽に転換した水平陽イオン交換膜電解槽の断面図お
よび陰極液循環系統を示す概略図である。　。

同図において、陽極室（１）は蓋体（４）と、該蓋体（
４）から懸垂された複数の陽極（６）および陽極板θの
を包囲するように立設された陽極室側壁（５）と、陽極
室側壁（５）の下部フランジと陰極室側壁（図示せず）
との間に挾持張設された陽イオン交換膜（３）の上表面
とにより画成されている。陽極（６）は蓋体（４）に立
設された陽極懸垂装置（７）で懸垂され、各陽極はブス
バー（８）で相互に連結されている。また陽極室（１）
は陽極液導入口０３、同排出口→および陽極ガス排出口
０υが設けられている。

一方、陰極室（２）は水平型電解槽の底板をその１〈転
用した実質的に平坦な表面を有する陰極板ＯＱと、該陰
極板の周縁上に設置された陰極室側壁脩と、前記陽イオ
ン交換膜（３）の下表面とにより画成されている。陰極
板αＱは陰極ブスバー０Ｑと連結されている。陰極室（
２）は陰極液導入口０９）および陰極液と陰極ガスとの
混相液排出口翰が設けられている。

飽和塩水は、陽極液導入口０３より陽極室（１）　Ｋ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ａ均より取り出し、淡塩水は陽極液排出口←が
ら排出される。

陰極液は陰極液導入口θつより供−給され、陰極室（２
）で発生する水素ガスとの混和流となって混和液排出口
（ホ）よシ取り出され、水素ガスと陰極液とは分離器（
２１）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（２２）により該陰極液導入口０
９）から陰極室（２）へ循環導入される。分離器（２１
〕及びポンプ（２２）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）
の底板θＱを通シ、陰極ゲスバー（１８）よシ取シ出さ
れる。

陽極室（１）では式、 Ｃ（Ｊ　−１／２　ＣＩ　２ なる反応が起こり、陽極室（１）のナトリウムイオンは
陽イオン交換膜（３）を通って陰極室（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）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性ソーダを生成する。

陽イオン交換膜を使用した電解方法としては、縦型セル
が一般的で、この場合、陰極で発生した水素ガスを素早
く陰極の背後（陽イオン交換膜と反対の方向）へ抜くこ
とによって陰極液抵抗を減少せしめんがため、通常、エ
キスバンドメタル、パンチトメタル、メタルネット等の
多孔性陰極が用いられる。

しかしながら横型セル即ち、水平型電解槽の場合、比重
の小さい水素ガスを陰極の背面、即ち水平方向に延設さ
れた陰極の下へ抜くことは不可能である。

従って本発明方法の最大の特色は、陽イオン交換膜（３
）の下面と、実質的に平坦な表面を有する陰極板０Ｑ表
面とを接近して配置して構成される陰極室内に陰極液を
供給し、陰極室内を満たして貫流する陰極液と陰極ガス
との混相流を形成することによって、陽イオン交換膜（
３）の下面を該流れで充分に潤し電解反応を円滑に進行
せしめると共に、陽イオン交換膜（３）と陰極板０Ｑと
の間に生成した苛性ソーダと水素ガスとを、生成後直ち
にこの流れに巻き込んで陰極室（２）の外へ排出するこ
とにある。

尚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ダを伴なって陰極室外へ運ばれ
、分離器（２１）によって水素ガスを分離した後、再び
陰極液導入口ＯＣ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
、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。

叙上の通り、本発明によれば、水平型隔膜法電解槽にお
いて陽イオン交換膜と実質的に平坦な陰極とを用いるこ
とによっ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
法電解糟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、淡塩水処理設備、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。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は本発明に係る電解槽の１
実施態様を示す各々側面図、垂直縦断面図及び垂直横断
面図、第４図および第５図はそれぞれ陰極室の実施態様
を示す垂直縦断面図、第６図、第７図および第８図はそ
れぞれ陰極液導入口および排出口の実施態様を示す斜視
図、第９図は水銀性電解槽を陽イオン交換膜電解槽に転
換した水平陽イオン交換膜電解槽の垂直縦断面図および
陰極液循環系統を示す概略図である。 １・・・陽極室　　　　　２・・・陰極室３・・・陽イ
オン交換膜　４・・・蓋体５・・・陽極室側壁　　　６
・・・陽極７・・・陽極懸垂装置　　８・・・陽極ブス
バー９・・・陽極導電棒　　　１０・・・穴１１・・・
シート１２・・・陽極板 １８・・・陽極液導入口　　１４・・・陽極液排出口１
５・・・陽極ガス排出口　１６・・・陰極板１７・・・
陰極室側壁　　　１８・・・陰極ブスバー１９・・・陰
極液導入口　　　２０・・・陰極混相液排出口２１・・
・分離器　　　　　２２・・・ポンプ２３・・・パッキ
ング

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　実質的に水平に張設され几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を有してなり、蓋体と、該陽極を
   囲むように周設された陽極室側壁と、該陽イオン交換膜
   の上面とにより囲繞され、且つ陽極液の導入口および排
   出白亜に陽極ガス排出口とを具備してなり、前記陰極室
   は実質的に平坦な表面を有する陰極板と、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
   下面とにより囲繞され、且つ陰極液の導入口および陰極
   ガスと陰極液との混和液の排出口を具備して構成される
   ことを特徴とする電解槽。 ２、　前記電解槽が水銀性電解槽より転換されたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電解槽。 ３、水銀性電解槽の底板の周縁上にバッキング　　′を
   介して陽イオン交換膜を張設して形成され、該底板、バ
   ッキング内側面および陽イオン交　゛模膜により囲繞さ
   れた陰極室を具備してなる特許請求の範囲第２項記載の
   電解槽。 ４、　水銀性電解槽の陽極室側壁の下部フランン部に対
   向する底板の周縁部を除く部分を削り取り、陽イオン交
   換膜との間に空間を形成せしめて陰極室としたことを特
   徴とする特許請求の範囲第２項記載の電解槽。 ５、　水銀性電解槽の底板の周縁に陰極室側壁を設け、
   該側壁の１方または底板の１端部に陰極液導入口を設け
   、該側壁の他の１方または該底板の他の端部に陰極ガス
   と陰極液との混和液の排出口を設け、該側壁の上面に、
   実質的に水平に張設された陽イオン交換膜を介して水銀
   性電解槽の陽極室側壁を重設し、該陽イオン交換膜の上
   面に陽極を有してなる陽極室を形成し、該陽極室に陽極
   液導入口および排出口並びに陽極ガス排出口を設け、さ
   らに前記混和液排出口より排出された混和液を気液分離
   する手段および陰極ガスを分離した陰ｆＭＨを前記陰極
   液導入口へ循環させる手段とを具備して構成されること
   を特徴とする電解槽。