JPS5985874A - 電解槽構造 - 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、
特に塩化アルカリ金属水浴液からアルカリ金属水酸化物
を製造する電解槽構造に関する。更に詳しくは、隔膜と
して陽イオン交換膜を用いた水平型電解槽の構造に関す
るものであり、長期間安定して低い電解電圧で高品質の
アルカリ金属水酸化物を効率よく得るために、陰極液に
かかる圧力損失の増加及び陰極液の脈動を防ぎ、更に前
記理由によっておこる膜の損傷及び電圧の変動を防止す
ることを目的とした電解槽構造を提供するものである。

水平型電解槽の最も典型的な例として、水平型電解槽が
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。

上記水平型電解槽を水平型隔膜法電解セ１１すに転換す
る方法が特公昭５Ｂ−２５５５７号公報に開示されてい
るが、これによって得られた〒ｌｆ、解槽は間隔膜を用
いたものであり、間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
属イオンに配位した水分イが透過するのみであるから高
純度の苛性アルカリ中 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にしてしまう。

かかる問題を解決する為、特開昭４９−１．２６５９６
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。又、
特開昭５Ｏ−５５６（１０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。

」−記欠点を回避する方法として、本発明者らは陽イオ
ン交換膜と陰極との間に陰極液を大量に循環し、陰極で
発生するガスを陰極液との混和流として均一に分散させ
ながら排出口より取り出すことにより、陽イオン交換膜
の下面にガスが滞留することを防止し得ることを見い出
し先に特願昭５６−１６９７５８号として提案した。

水平型イオン交換膜電解槽における陰極液循環系統の１
例を第１０に示す。同図において、陰極液は陰極液供給
口０４）より陰極室（２）に供給され、陰極（７）と陽
イオン交換膜（３）とで形成される液ガス流通路を陰極
で発生する陰極ガスを巻き込みながう気液混相液となっ
て高速で貫流し、陰極液排出口００より排出される。次
に、気液混和液は分離器０・で陰極ガスと陰極液に分離
される。ガスを分離した陰極液は、ポンプＱ７）により
再び陰極液供給口Ｑ４１から陰極室（２）へ循環供給さ
れる。

本方法により、イオン交換膜及び陰極表面への陰極ガス
の付着が防止され、また陰極ガス／陰極液分率の低下に
よりガス遮蔽が減少し、低い電解電圧での操業が可能と
なる。水平型電解槽において、陰極液は、前述の如く、
陰極室の液ガス流通路を陰極で発生した陰極ガスを巻き
込みながらスラリー状の気液混相流となり貫流し、陰極
液排出口を経て電解槽外へ排出されるのであるが、該電
解槽において長期間安定して低い電圧で効率よく金属水
酸化物を得るためには、陰極液及び陰極液と陰極ガスと
の混相液（以下、単に混相液という）を安定し７て貫流
させることが重要である。尚、本発明において液ガス流
通路とは、陰極液単独または陰極液と陰極ガスの混相流
の流通路を意味する。

液ガス非透過性陰極を用いた水平型イオン交換膜電解槽
においては、前記の通り、陰極で発生した陰極ガスが陽
イオン交換膜や陰極表面に付着したり、陰極と陽イオン
交換膜との間に滞留することを防止するために、陰極液
を陰極室の液ガス流通路を高速で貫流させ、該陰極ガス
を巻き込みながら通過させることが特徴である。

ここで、陰極室中の混和液は安定して流れていれば微泡
沫の陰極ガスを一定の分散度で含有するスラリー状の気
液混相流となっている。この場合に液ガス流通路中に該
流線を乱すような障害物が存在すると、以下に述べるよ
うな悪影響が生じる。

（１）　　その部位で混相流の滞留が生じ、陰極液中に
均一分散している微泡沫の陰極ガスが直ちに会合し、気
液分離をおこし、陰極ガスか１％ｊ下表面に滞留付着し
、電流の流れを遮蔽し、この結果電解′ｍ圧の変動及び
上昇を引きおこす。

（２）　　混和流の流れに脈動がおこり、膜を振動させ
、膜損傷や電解電圧変動の原因となる。

（３）　　陰極室内の圧力損失が増大し７、膜の破損等
の原因となる。

ここで流線とは流れの方向を意味し、液ガス流通路に流
れを阻害する障害物が全くない場合流線は変化しないが
、障害物により流れのベクトルが変化する場合に流線が
乱れる。流線を乱丁障害物とに、特に膜を装着固定する
膜取り付はフランジ部、陰（ｊ室と陰極液排出口及び陰
極液供給口と陰極室との接続部ｌこて生じる急激な段差
等が含まれる。

本発明は上記事情に鑑み、これらの問題点を解消した電
解槽の構造を提供するものである。

即ち、本発明の目的は、水平型イオン交換膜電解槽を用
いて、長期間安定して低い電解電圧で高品質のアルカリ
金属水酸化物を効率よく得るために、陰極液にかかる圧
力損失の増加及び陰Ｗ３液の脈動を防ぎ、さらに前記理
由によっておこる膜の損傷及び電圧の変動を防止する電
解槽構造を提供するものである。更に、水銀法電解槽か
ら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アルカリ金属水酸化
物の生産を可能とするものである。

即ち、本発明は実質的に水平に張設され几陽イオン交換
膜により陽極室と陰極室とに区割され、陰極に液ガス非
透過性電極を用いた水平型電解４■において、陽イオン
交換膜の下方に位置する陰極室内で発生する陰極ガスを
陰極液で糸外へ排出させながら電解するに当り、陰極室
と陰極液排出口との間及び／又は陰極液供給口と陰極室
との間の液ガス流通路中に陰極液及び／又は陰極液と陰
極ガスとの混和液の流線を乱すような障害物を有しない
構造からなることを特徴とする水平型イオン交換膜電解
槽構造を提供するものである。

以下、本発明を実施態様を示す図面に基づいて説明する
。

第２図は本発明の陰極液供給口及び排出口付近の組み立
て前の状態を示す斜視図、第３図はこれらを組み立てた
状態を示す断面図である。

第２図、第３図において、本発明の電解槽］１４造は長
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。

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）の上表面とにより画成され
る。

次いで陰極室（２）は陽イオン交換膜（３）の下表面と
陰極（７）と、該陰極の縁に沿って該陰極を囲むように
立設された陰極室側壁（８）とにより画成される。

本発明に使用する陰極はガス液非透過性電極であり、そ
の形状１ｌ−１：実質的に平坦な表面を具えたものでも
よいし、電解液の流れに沿って凸状筋を具えた凸凹構造
を有するものであっても良い。凸凹構造を有する非多孔
性陰極を使用する場合は、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態様である。

次に陰極液供給口および排出口であるが、陰極に付設さ
れた陰極液供給口底板（９）または排出口底板（１０）
と陽極室側壁に延設された膜取り付はリプ０１）の下部
に位置する陽イオン交換膜（３）及び陰極液供給口蓋部
０２または排出口蓋部０３により画成される。膜取り付
はリブ０１）に膜（３）を取り付ける場合、第３図に示
す如く、膜の端面を装着固定する部分はフランジ部や固
定治具が障害物となり液の流れを乱さないように構成す
ることが望ましい。即ち、陰極室で水平に張設された陽
イオン交換膜（３）は実質的に同一平面で陰極液供給口
０４）及び排出口α！′ｉｌまで延設され、液ガス流通
路外で装着固定されるのが望ましい一態様である。また
、流通路内部で装着固定する場合にあっては、膜固定フ
ランジ部０８）　ｆ−１，、第４図あるいは第５図に例
示する如く、流通路と段差を生じないように配慮するこ
とが望ましい。ここ・で言う実質的に同一とは、液の流
れを阻害又は邪魔しない程度であれば良く、概ね２闘以
内の段差であれば実用上支障はない。従って、急激な段
差とは概ね２闘を越えるものを意味する。

陰極液供給口蓋部０功及び排出口蓋部０３においても液
ガス流通路に液の流れを乱すような障害物が存在するこ
とは望ましくない。即ち、該蓋部の下表面は陰極室で水
平に張設された陽イオン交換膜面と実質的に同一平面上
に位置するように構成することが望ましい。特に陰極液
排出口付近の液ガス流通路の上部に流線を乱す障害物が
存在する場合、気液混和流の滞留がおこり、気液分離し
、その結果電解電圧の上昇、混和流の脈動を生じる。

次に、陰極液供給口底板（９）および排出口底板（１０
）は陰極（７）と同一の形状を有することが望ましい。

もし両者の形状が異なり流れの方向に正の段差（流路の
断面積が急激に縮小する）がある場合は圧損の」二昇を
生じ、逆に負の段差〔流路の断面積が急激に拡大する〕
がある場合は、流速が急激に低下することにより圧損が
変化し、陽イオン交換膜に過大な圧力負荷がかかる上、
その部分の真上に位置する陽イオン交換膜が振ｉ１．Ｉ
Ｉ　Ｌ、膜にピンホールあるいはクラック等の損傷が発
生する危険性を生ずる。なお、該底板（９）（１０〕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ハナ＜、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。

次に、本発明を実施例、比較例を挙げて更に具体的に説
明する。

実施例１ 陽イオン交換膜として「ナフィオン９０１　（ＤｕＰｏ
ｎｔ社製）」を、畏さ１０ｍ、巾１０訓の寸法を有する
鉄製の板の表面にＮｊ−溶剤した陰極の上に略水平に張
設した。

上記陰ｆＭは長手方向に深さ５鰭、巾５肩屑の溝をＩＱ
ＩＩＩＩＩ！ピッチで有し、該溝の両側の凸部が膜と接
１−るように構成した。

陽極ハエクスパ、／デッドメタルの表面にＲｕＯ２、’
ｒ；−ｏ２をコーティングしたものを用い、膜と接する
ようにセットした。

陰極液供給口及び排出口は、第２図及び第３図で示した
構造を持ち、陰極液供給口底板及び排出口底板に鉄基材
にゴムライニングし、陰極と同一の溝を切削加工により
形成した。

陽極室はＮａＣβ濃度が８．５　Ｎ　、陰極室は陰極液
を長手方向に７００１／Ｈｒで循環し、苛性濃度が３２
％になるようにコントロールし、電解温度は８０±ｌ″
Ｃに保ちつつ電解を行った。

電流密度３　Ｑ　、Ａ／（ｌｙ＆で電圧は安定して３．
０７■を示し、苛性電流効率は９６％、苛性中の食塩含
有量は２０ｐｐｍ１５０％ＮａＯＨであった。また、こ
の際の陰極液供給口の圧力損失はＯ，ａｋＱ／ｃｌを示
した。１ケ月電解を続けたが、性能には変化なく、運転
停止後解体して膜を点検したが、何ら異常に認められな
かった。

実施例２ 実施例１と同様であるが、陰極、陰極液供給口底板及び
排出口底板の形状が平板のものを用い、膜と陰極との距
離が約１　ｍｍになるようにセットした電解槽を用いて
、陰極液を３００１／Ｉ（ｒで循環することにより電解
を行った。

電流効率８０　Ａ／（罫で電圧８．０９Ｖ、苛性電流効
率９５％、苛性中の食塩含有量１８　Ｉ）１１）ｍ　１
５０％Ｎａ１ｌ（であり、陰極液供給口の圧力損失は０
、２　ｋｆｌ／Ｃｄであった。１ケ月電解を続けたが性
能には変化なく、運転停止後解体して膜を点検したが、
何ら異常は認められなかった。

比較例１ 陰極室は実施例１と同様であるが、陰極液供衿口及び排
出口が第６図に示す構造を有する市１解槽において（第
６図中、陰極に示１−た破線は溝の底部を示す）、厚さ
３間の膜固定フランジを使用して電解を行った。

電流密度８０　Ａ／（１ゴで電圧は３，１７±０．１■
で激しく変動し、２週間電解を行った後解体して膜を点
検した結果、陰極室出口部に陰極のエツジによって発生
したと思われるクラックが数ケ所認められた。また、電
解中陰極液供給口の圧力損失は０．４５±０．１　ｋｇ
／ｍ′で、激しく変動した。

【図面の簡単な説明】

第１図は水平型イオン交換膜電解（漕における陰極ｍ循
環系統の１例を示す概念図、第２図、第３図は本発明の
１実施態様を示す陰極液供給口及び排出口付近の組み立
て前の状態を示す斜視図及び組み立てた状態を示す断面
図である。 第４図及び第５図は、本発明の別の実施態様を示す陰極
液供給口及び排出口の要部断面図、第６肉は比較例１に
用いた陰極液供給口及び排出口の要部断面図である。 ■・・・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・・・陰極　　　　　　８・・・陰極
室側壁９・・・陰極液供給口底板　　１０・・・陰極液
排出口底板１１・・・膜取り付はリプ　１２・・・陰極
液供給口蓋部１３・・・陰極液排出口蓋部　１４・・・
陰極液供給口１５・・・陰極液排出口　１６・・・分離
器１７・・・ポンプ　　　　　　１８・・・膜固定フラ
ンジ部特許出願人 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
   陽極室と陰極室とに区割され、陰極に液ガス非透過性電
   極を用いた水平型電解槽において陽イオン交換膜の下方
   に位置する陰極室内で発生する陰極ガスを陰極液で糸外
   へ排出させながら電解するに当り、陰極室と陰極液排出
   口との間及び／又は陰極液供給口と陰極室との間の液ガ
   ス流通路中に、陰極液及び／又は陰極液と陰極ガスとの
   混和液の流線を乱すような障害物を有しない構造からな
   ることを特徴とする水平型イオン交換膜電解槽構造。 ２、障害物が陰極液供給口と陰極室との間及び／又は陰
   極室と陰極液排出口との間の液ガス流ａ路の急激な段差
   である特許請求の範囲第１項記載の電解槽構造。