JPS5925036B2 - 電解用フツ素樹脂陽イオン交換膜 - Google Patents

電解用フツ素樹脂陽イオン交換膜

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JPS5925036B2
JPS5925036B2 JP50097173A JP9717375A JPS5925036B2 JP S5925036 B2 JPS5925036 B2 JP S5925036B2 JP 50097173 A JP50097173 A JP 50097173A JP 9717375 A JP9717375 A JP 9717375A JP S5925036 B2 JPS5925036 B2 JP S5925036B2
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JP
Japan
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cation exchange
exchange membrane
tables
electrolysis
membrane
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JP50097173A
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正顕 山辺
晴久 三宅
学 数原
栄治 遠藤
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AGC Inc
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Asahi Glass Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電解用フッ素樹脂陽イオン交換膜、更に詳し
くは、塩化アルカリの隔膜電解によつて、水酸化アルカ
リを高電流効率で製造できる新規なフッ素樹脂陽イオン
交換膜に関するものである。
電解槽の陰極及び陽極間を隔膜で区画し、通常陽極室に
は塩化アルカリを供給して、電解することにより、陰極
室に水酸化アルカリを製造する所謂二室法による隔膜電
解方法は公知である。従来ここにおける隔膜として最も
普通にはアスベストが用いられるが、アスベスト隔膜の
場合には、得られる水酸化アルカリ中に塩化アルカリが
混入し、純度が低いという大きな難点があるだけでなく
、更にはアスベスト自体が電解液により腐蝕を受けるた
めに長期間の使用に耐えなく、寿命が小さいという欠点
がある。このため最近では隔膜として、アルカリイオン
に対してのみ選択透過性を有し、耐塩素性、耐酸化性、
耐アルカリ性のフツ素樹脂陽イオン交換膜を使用するこ
とが提案されている。かかるフツ素樹脂陽イオン交換膜
を隔膜とする場合、その有するイオン選択透過性のため
に得られる水酸化アルカリ中への塩化アルカリの混人が
防止でき、純度の点では一応満足できるものの、電流効
果については、未だ満足できるものではない。即ち、現
在までに得られている陽イオン交換樹脂膜を使用する場
合の電流効流は、通常高々80%程度にとどまり、特に
これは、製造する水酸化アルカリの濃度が大きくなつた
場合には、更に極端に低下してしまう。このような低い
電流効率は、電解条件下において陰極室に発生する水酸
イオンが陽イオン交換樹脂膜を通じて陽極側に漏洩する
ことに基因することは、ほぼ解明されているものの、現
在に到るもかかる陽イオン交換樹脂膜を通じての水酸化
イオンの漏洩を有効に防止できる膜は知られていない。
本発明者は、塩化アルカリの電解により水酸化アルカリ
を製造する場合に高い電流効率を与えるようなフツ素樹
脂陽イオン交換膜を開発すべく鋭意研究を続けたところ
、該目的を達成できる新規な陽イオン交換膜を見出した
ものである。
即ち、本発明は以下に記載する(イ)、(ロ)の構成単
位を有し、重合体中の(口)の単位を1〜40モル%、
好ましくは3〜20モル%含む、カルボン酸基を有する
非架橋性のコポリマーからなるフツ素樹脂陽イオン交換
膜を、濃度20〜60重量%の水酸化アルカリ水溶液中
130〜200℃の温で浸漬処理することにより、膜表
層部のカルボン酸基の少なくとも一部をイオン交換能力
のないものにせしめたことを特徴とする電解用フツ素樹
脂陽イオン交換膜にある。
上記式(イ)、(口)中、Xはフツ素、塩素、水素又は
トリフルオロメチル基であり、X′はX又は炭素数2〜
7個のパーフルオロアルキル基であり、Rは次のものか
ら選ばれる。
(式中、pは1〜12、Yは−CF3及び−Fから選ば
れ、Rfは−F及び炭素数1〜10個のパーフルオロア
ルキル基から選ばれ、Aは−COOH基又は加水分解に
より該基を与える基を表わす。
)本発明者の研究によると、フツ素樹脂陽イオン交換膜
におけるカルボン酸基は、樹脂の構造により程度の差こ
そあれ、フツ素原子の大きい電子吸引性のために、その
酸性度が相当強められ、通常の場合に比べ親水性が大き
くなつており、特にこれはカルボン酸基がフツ素原子で
置換されている炭素原子に結合している場合には、特に
著しいことが判明した。かかる場合には、陽イオン交換
膜全体の水和性が高められ、膜の含水量が大きくなる結
果、乾燥樹脂当りの交換容量が大きくても膜内の水分当
りの交換基濃度が低下し、アルカリイオンの輸率が小な
くなつて電流効率が低下する傾向にある。しかるに、本
発明において、該陽イオン交換膜の有する、その表層部
のカルボン酸基の少なくとも一部をイオン交換能力のな
いものとすることにより、これを通じて膜の含水量を低
下せしめることにより、膜内の水分当りのイオン交換基
濃度を高めて電流効率を向上させ得ることが見出された
。かかる陽イオン交換基の変性処理は、本発明者の研究
によると、イオン交換膜の表層部のそれも極く薄い層の
みで充分目的を達成することができるので、膜の大半を
構成する他の部分は小さい電気抵抗がそのまま保持され
ることになり、全体として膜の電気抵抗の著しい上昇を
招くことのないことが見出された。かくして、本発明に
よれば、塩化アルカリの隔膜電解のための高電流効率が
可能で、しかも摺電圧の上昇を招くことのない、優れた
耐久性のあるフツ素樹脂陽イオン交換膜が提供される。
以下に、本発明について更に詳述すると、本発明のフツ
素樹脂陽イオン交換膜を製造する場合は、まずカルボン
酸基を有するフツ素樹脂陽イオン交換膜が製造される。
もちろん、該フツ素樹脂陽イオン交換膜は、市販のもの
があれば、それを使用してもよい。かかるフツ素樹脂陽
イオン交換膜における陽イオン交換基は、カルボン酸基
又は加水分解により該基に転換するカルボン酸エステル
基やカルボン酸ハライド基などである。本発明では、こ
れらのカルボン酸基をペンダント側鎖として有するフツ
素樹脂膜は、電解液を透過せず、アルカリ陽イオンを選
択的に透解させるイオン交換膜としての必要性から非多
孔性の緻密なものでなければならない。このために、膜
の透水量は水柱圧1m(60℃、PHlOの4NのNa
Cl水溶液中)の場合、好ましくは100m1/時間/
Rrl以下、特には10d/Ff!f間/イ以下である
ことが望ましい。本発明の陽イオン交換膜は、上記した
フツ素樹脂コポリマーから形成されるが、かかるコポリ
マーとしては、上記(イ)、(口)の構成単位を形成す
るモノマーの他に、更に第三のモノマーを共重量させて
改質されたものでもよいことはもちろんである。更に、
フツ素樹脂陽イオン交換膜は、必要に応じて適宜の空隙
性の支持体で補強することもできるが、いずれにせよ、
その厚みは好ましくは50〜200μにせしめることが
望ましい。本発明においては、上記フツ素樹脂陽イオン
交換膜の表層部のカルボン酸基の少なくとも一部が、ア
ルカリ処理によりイオン交換能力のないものとされる。
かかるカルボン酸基の変性は、イオン交換膜の両面に行
なつてもよいが、片面のみの変性の方が電気抵抗の点か
ら有利であり、変性する陽イオン交換基も膜の表層部の
みで充分である。本発明者の研究によると、膜の表面下
1〜10ミクロンの表層部又は膜厚の好ましくは1/1
0以下、更に場合によつては1/50以下の表層部のカ
ルボン酸基を変性すれば充分であることが見出された。
本発明においては、膜の表層部のカルボン酸基の少なく
とも一部を変性するが、通常は表層部のカルボン酸基の
一部を変性すれば充分であり、所望によりその全部を変
性せしめることもできる。もちろん、必要に応じては膜
の表層部だけでなく、更に深層部の交換基を部分的に変
性してもよい。本発明のアルカリ処理には、アルカリと
して20〜60量量%の高濃度のNaOH又はKOHの
強アルカリの水溶液が使用される。かかる高濃度の水酸
化アルカリ水溶液中で浸漬処理されるが、処理温度は1
30〜200℃の範囲が採用される。処理温度が200
℃以上であると反応が激しく進み、過度のカルボン酸基
が変成されるので好ましくなく、処理温度が130℃以
下であると効果が少ないので好ましくない。上記のフツ
素樹脂陽イオン交換膜の処理は、連続的、断続的又はバ
ツチ的に実施できる。
かくして、本発明では上記のようにして陽イオン交換膜
の表面部のカルボン酸基がイオン交換能力のないものに
変性されるが、かかる変性の程度は、使用する上記陽イ
オン交換基の性能に応じて制御され、目的とする塩化ア
ルカリの電解において可及的に高い電流効率が得られる
ようにせしめられる。
即ち、例えば処理前の陽イオン交換膜の含水率が大きく
、電解において低い電流効率しか示さない場合には、電
気抵抗が工業的に使用可能な限界を越えない範囲で、上
記処理の程度を大にして、その性能を改善することがで
きる。本発明のフツ素樹脂陽イオン交換膜を使用して、
ハロゲン化アルカリの電解を行なう手段としては、既知
のいずれの方式の隔膜電解も採用することができる。
なかでも、上記した陽イオン交換膜にて電解槽を二室に
区画し、陽極室に塩化アルカリを供給して電解し、陰極
室から水酸化アルカリを得る所謂二室型槽の場合には従
来では高電流効率での運転は不可能に近かつたが、本発
明の耐塩素性及び水和性の小さいフツ素樹脂陽イオン交
換膜を使用することによつて、これが初めて可能になる
。なお、本発明で片面のみが処理された陽イオン交換膜
を使用する場合には、処理面を陰極側にして使用するこ
とが好ましい。かくして、例えば本発明によれば、2N
以上の濃度の塩化ナトリウム水溶液を原料にして、10
〜40A/Dwlの電流密度で電解することにより、5
〜20Nの高濃度の水酸化ナトリウムが90%以上の高
電流効率でさえも製造できるようになる。以下に、本発
明を更に具体的に示すために、実施例を示すが、本発明
はこれらに限定されるものでないことはもちろんである
実施例 1 テトラフルオロエチレンとCF2= CFO(CF2)3C00CH3とを共重合せしめるこ
とによつて、カルボン酸型フツ素樹脂陽イオン交換膜を
製造した。
該陽イオン交換膜は、カルボン酸基1当量につき膜の重
量は770yであり、厚さは約100μであつた。
かかるカルボン酸型イオン交換膜の片面を140℃、4
0wt%のNaOH水溶液中に2時間浸漬した。かかる
フツ素樹脂陽イオン交換膜の電気抵抗は、25℃の8N
f)NaOH水溶液中で1000HZ交流ブリツジを用
いて測定した結果、2.5Ω−Cdであつた。
また、かかる陽イオン交換膜の上記アルカリ処理面を陰
極側に向けて配置し、二室型電解槽を組み立てた。
電解槽はフツ素樹脂製であり、陽極にはRh−Tiを、
陰極にはステンレスを用いた。膜の有効面積は25cd
であり、極間距離は221g1!であつた。電解は、陽
極室には4Nf)NaCl、陰極室には8NのNaOH
を供給し、液温を86〜92℃に加熱しながら、電流強
度5A1電流密度20A/dイで行なつた。
そして電解中に陽極室に4Nf)NaClを150CC
/Hrで、陰極室には0.1N(1)NaOHを連続的
に供給した。陰極室に供給するNaOH流量を制御する
ことにより、陰極室のNaOH濃度を一定に保つた。か
くして、電解槽の陽極室からはNaCl溶液が溢流し、
陰極室からは約8N(7)NaOHが溢流した。
電解開始後4〜7時間経過し、電解が定常状態になつた
後、陰極室から溢流するNaOH溶液を14〜17時間
にわたつて捕集し、生成したNaOH量を定量し、Na
OH生成電流効率を求めた。生成NaOH濃度が14.
5Nのときの電流効率は91.5%であつた。比較例
1 実施例1において熱アルカリ処理前のフツ素樹脂陽イオ
ン交換膜をそのまま電解槽の隔膜として使用し、実施例
1と同様にしてNaClの電解を行ない、その性能を調
べた。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 以下に記載する(イ)、(ロ)の構成単位を有し、
    重合体中の(ロ)の単位を1〜40モル%含む、カルボ
    ン酸基を有する非架橋性のコポリマーからなるフッ素樹
    脂陽イオン交換膜を、濃度20〜60重量%の水酸化ア
    ルカリ水溶液中130〜200℃の温度で浸漬処理する
    ことにより、膜表層部のカルボン酸基の少なくとも一部
    をイオン交換能力のないものにせしめたことを特徴とす
    る電解用フッ素樹脂陽イオン交換膜。 (イ)▲数式、化学式、表等があります▼(ロ)▲数式
    、化学式、表等があります▼〔ここで、Xはフッ素、塩
    素、水素又はトリフルオロメチル基であり、X′はX又
    は炭素数2〜7個のパーフルオロアルキル基であり、R
    は次のものから選ばれる。 −A、▲数式、化学式、表等があります▼、▲数式、化
    学式、表等があります▼、 ▲数式、化学式、表等があります▼、 ▲数式、化学式、表等があります▼ (式中、pは1〜12、Yは−CF_3及び−Fから選
    ばれ、R_fは−F及び炭素数1〜10個のパーフルオ
    ロアルキル基から選ばれ、Aは−COOH基又は加水分
    解により該基を与える基を表わす。 )〕。
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