JPS6038472B2 - イオン交換膜式電解槽 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は補強布で裏打ちしたガスケットを有するイオン
交換膜式電解槽に関するものである。

一般にイオン交換膜式電解槽は、電解槽とイオン交換膜
を交互に配置した後、油圧もしくはボルト等で締付ける
。この時電解液の糟外へのりーク（以下単に糟外リーク
と呼ぶ）を防止するために、通常電槽枠のイオン交換膜
をシールする面の一方又は双方に、天然ゴム、合成ゴム
等のガスケットを貼着し、イオン交換膜および電槽枠の
凹凸、歪み等を吸収している。１肌×ｌｍ以上の工業的
電槽枠では、蚤槽枠の製作精度等に起因する厚みの凸凹
および歪みが大きいので、槽外リークを防止するために
ガスケットの厚みを大きくし、かつフィルタープレスの
締付圧を大きくしなければならない。

この際ガスケツトは締付圧で伸長し、更に運転中にガス
ケットが次第にクリープしてガスケツトの伸長が加算さ
れる。このためガスケツトと共にイオン交換膜も一緒に
伸長して、ついにはイオン交換膜が切断する。イオン交
換膜の切断はガスケツトの厚みが大きい程、ガスケツト
の硬度が低い程、また締付圧が大きい程生じ易し・。即
ち、槽外リークを防止し易い条件程イオン交換膜は切断
し易く、両立しない。かかるイオン交換膜の切断を防止
するために、イオン交換膜に補強布を裏打ちし、膜強度
の増大に努めているが、充分な強度の補強布をイオン交
換膜に裏打ちしようとすると電気抵抗が高くなり、性能
が悪くなるのでガスケットの伸長によるイオン交換膜の
切断を完全には防止できない。

このことはイオン交換膜の通電面の膜性能が充分である
にもかかわらず、シール部の部分的な腹の破損のために
、イオン交換膜の廃棄もしくは補修を行わなければなら
ず、経済的な損失が大きい。本発明の目的は槽外リーク
を防止し、かつイオン交換膜のガスケットシール部での
切断を防止することにあり、イオン交換膜式電解槽のガ
スケットに、少なくとも１枚の補強布を裏打ちしたゴム
製ガスケットを用いることを骨子とする。第１−Ａ図及
び第１−Ｂ図において、本発明にもとづくガスケットの
断面図を示す。

第１−Ａ図では、ゴム２に補強布ｌａが１枚裏打ちされ
ている。該ガスケットにおいて、イオン交換膜と接する
面３ａ（以下、Ｍ面と呼ぶ）と、補強布の中でＭ面に最
も近い繊維の間の距離ｔ，を表面ゴム層厚みとし、ちと
、蚤槽枠と接する面３ｂ（以下、Ｆ面と呼ぶ）と、補強
布の中でＦ面に最も近い繊維の間の距離ｔ２の和ｔ，十
ｔ２を全ゴム層厚みとする。ち′は補強布の厚み、Ｔは
ガスケットの厚みである。第１−Ｂ図では、ゴム２に補
強布ｌａ補強布ｌｂが裏打ちされている。該ガスケット
において、イオン交換膜３ａと接する面（Ｍ面）と、補
強布ｌａの中でＭ面に最も近い繊維の間の距離ｔ，を表
面ゴム層厚みとし、ｔ，と、露槽枠３ｂと接する面（Ｆ
面）と、補強布ｌｂの中でＭ面に最も近い繊維との間の
距離ｔ３と、補強布ｌａの中で補強布ｌｂに最も近い繊
維と補強布ｌｂの中で補強布ｌａに最も近い繊維の間の
距離らの和ｔ．十ら十ｔ３を全ゴム層厚みとする。ｔ，
′，ｔ２′は補強布の厚み、Ｔはガスケツトの厚みであ
る。一般に補強布を裏打ちしたガスケツトを用いるとガ
スケットの伸縮性が悪くなり槽外リークは防止し‘こく
〈なるが、イオン交換膜のガスケットシール部（Ｍ面）
での切断を防止するためには、ガスケットに補強布を入
れて、第１図のガスケットの綿付圧によるＨ方向への伸
びを防止することが必要であり、同時に槽外リークを防
止するには、ガスケットのゴム層厚みを制御しなければ
ならないことを見出した。

一般に大型電槽枠には０．１乃至０．５肋、場合によっ
ては０．５側以上の厚みの凸凹及び歪が存在する。

このような雷槽枠を用いた場合、槽外リークを防止する
には第１一Ａ図及び第１−Ｂ図において、全ゴム層厚み
を１肋以上、好ましくは１．２肋以上、更に好ましくは
１．５肋以上とし、且つシール面圧を７乃至２５ｋ９／
ｃ髭以上かけることが必要である。シール面圧とは、霞
槽枠とイオン交換膜とのシール面にかかる圧力で、例え
ばフィルタープレスタイプの場合には次式で表わされる
。シール面圧＝Ｓ，ｘＰ「Ｓ２ｘＰ２〔ｋ９／仇〕Ｓｏ
Ｓｏ：ガスケットと雷槽枠との接触面積〔地〕Ｓ，：フ
ィルタープレスの油圧シリンダーの断面積〔洲〕Ｓ２：
イオン交換膜の通電面積〔洲〕 Ｐ，：フィルタープレスの油圧〔ｋ９／地〕Ｐ２：電解
槽の内圧〔ｋ９／地〕５また、イオン交換膜の切断を防
止するためには、表面ゴム層厚みｔ，が重要な要素とな
り、ｔ，を可及的に薄くすることが必要であることを見
出した。

即ち、シール面圧が通常７乃至２５ｋ９／めであること
、及びポンプ等のトラブルにより内圧Ｐ２が減少すると
シール面圧が一時的に４０乃至５０ｋ９／榊又はそれ以
上になることを考慮すると、ｔ，を０．７側以下、好ま
しくは０．５肋以下にすることが必要である。また、補
強布を１枚よりも第１−Ｂ図の如く２枚または３枚以上
入れる方が、イオン交換膜の切断防止に有効であること
を見出した。

更に、槽外リークを防止し、且つイオン交換膜の切断を
防止するためには、ち≦ｔ２ もしくは ちミｔ２＋ら の条件が好ましいことを見出した。

本発明において、補強布で裏打ちしたガスケツトの表層
ゴム厚み及び全ゴム層厚みの測定方法は以下の通りであ
る。

試料より厚さ０．３乃至０．５肋、長さ約１比咳の薄片
を切り出し、該薄片を顕微鏡で断面観察する（倍率＝３
０倍）。薄片の切断には鋭利な剃刀を使用し、切口がガ
スケツト表面に対して垂直になるように行う。第１一Ａ
図及び第１−Ｂ図のｔ，，ｔ２，ｔ３，ｔ，′，ｔ２′
は、顕微鏡用マイクロメーターで読み取る。本発明にお
いて、ガスケットの補強は柔軟性を有した布でなければ
ならず、剛性の金属板、プラスチック板等を用いた場合
には、厚みの凸凹及び歪を有した大型電槽枠の槽外リー
クを防止できない。

本発明に利用できる補強布用繊維としては、以下の繊維
を挙げることができる。

綿、羊毛、絹、麻；レーヨン、キュプラ、アセテート；
ビニロン、ナイロン、芳香族ナイロン（アラミド）、ポ
リエステル、アクリル、ポリエチレン、ポリプロピレン
；ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニル：ポリテトラフ
ロロェチレン、ポリフツ化ピニリデン、ポリフッ化ピニ
ル、テトラフロロエチレン／エチレン共重合体、テトラ
フロロエチレン／へキサフロロプロピレン共重合体、テ
トラフロロェチレン／パーフロロアルコキシビニルェー
テル共重合体、クロロトＩＪフロロェチレン／エチレン
共重合体；炭素繊維；ガラス繊維；チタン、鉄等の金属
繊維等のャーンまたはフィラメント。フィラメントはモ
ノフィラメソトでも良いし、マルチフィラメントでもよ
い。特に、本発明の電解槽が塩化ナトリウム、塩化カリ
ウムなどの電気分解に用いられる時、極めて醸しい環境
に晒されるので、電解中にガスケットに裏打ちした補強
布が腐食して溶失し易い。

このためガスケットのイオン交換膜切断防止効果が失わ
れるので、ガスケットの補強布用繊維としては、耐食性
のすぐれた炭素繊維、またはポリテトラフロロェチレン
、ポリフツ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフ
ロロエチレン／へキサフロロプロピレソ共重合体、テト
ラフロロェチレンノパーフロロアルコキシビニルェーテ
ル共重合体、テトラフロロェチレン／エチレン共重合体
、クロロトリフロロェチレン／エチレン共重合体等のフ
ッ素系重合体の繊維が好ましい。とくにテトラフロロェ
チレン／エチレン共重合体繊維は、機械的物性も優れて
いるのでガスケットの補強布として好適である。又、機
械的物性の面で金属製の繊維又は金網も好ましい。その
場合は、陽極室側の材質としてチタン、陰極室側の材質
として鉄、ニッケル等がよい。これ等の繊維は補強布に
仕上げるが、綴り方は目的に応じて平織、綾織、朱子織
、絡み織等のいずれでもよい。

補強布をガスケットに裏打ちするに先立って、布とゴム
の接着性を改良するために、布の表面処理を実施するこ
とが好ましい。表面処理には布の種類に応じて従来公知
の技術が応用できる。例えば、テトラフロロェチレン／
エチレン等のフッ素系繊維布には金属ナトリウムと液体
アンモニアまたはナフタレンの混合物で処理する方法、
ナイロン、ポリエステル繊維布にはしゾルシン／ホルマ
リン処理する方法、炭素繊維にはェポキシ処理する方法
等が利用できる。本発明のガスケットに利用できるゴム
としては、天然ゴム、イソプレンゴム、スチレンノブタ
ジエンゴム、ブチルゴム、ブタジエンゴム、エチレン／
プロピレンゴム、アクリロニトリルノプタジエンゴム、
クロロプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、ウ
レタンゴム、多硫化ゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム
、アクリルゴム、エビクロルヒドリンゴム、エチレン／
アクリルゴム等を挙げることができる。

ゴムの硬度は、ゴムの種類に応じてＨｓ３０乃至１００
度のものを使用でき、電解液の糟外リークの防止とイオ
ン交換膜の切断防止を考慮して、適切な硬度を選択すれ
ばよい。

補強布をガスケットに裏打ちするに際しても従来公知の
技術が応用できる。

例えば生ゴムと加硫剤、酸化防止剤、可塑剤、補強剤等
を混合した後、回転ロールでカレンダリングして薄ゴム
板を製作する。２枚の薄ゴム板の間に補強布を挟み込ん
で回転ロールを通した後、熱プレス器で加硫する。

本発明に使用されるイオン交換膜としては、例えば次の
ものを挙げることができるが、これ等だけに限定される
ものではない。

■ スルホン酸型腸イオン交換膜、例えばフッ素化オレ
フインとＣＦ２＝ＣＦ〇ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）ＯＣＦ２
ＣＦ夕０３Ｎａの共重合体膜、スチレンとジビニルベン
ゼンまたはブタジェンの共重合体腰を濃硫酸でスルホン
化した膜等；■ カルボン酸型腸イオン交換膜、例えば
フッ素化オレフインとＣＦ２＝ＣＦ０（ＣＦ２）ｎＡ、
またはＣＦ２＝ＣＦＯＣＦ２ｆＣＦ×ＯＣＦ２ナｆＣＦ
×′キポＣＦ２０ＣＦＸ″チｎＡ（ＡはＣＮ、ＣＯＦ、
ＣＯ〇日、Ｃ〇〇Ｍ、Ｃ〇〇Ｒ、Ｃ〇ＮＲ２Ｒ３；Ｘ、
Ｘ′、Ｘ″はＦまたはＣＦ３）の共重合体膜に必要なイ
オン交換基を導入した膜、フッ素化オレフィンとＣＦ２
＝ＣＦ（〇ＣＦ２ＣＦＸ）ｎ〇ＣＦ２ＣＦ２Ｓ〇２Ｙ（
Ｙはハロゲン、ＯＨ、アルキル基等）の共重合体膜を還
元処理した膜、スチレン、ジビニルベンゼンとアクリル
酸の共重合体膜等；■ アミド型陽イオン交換膜、例え
ばフッ素化オレフインとＣＦ２＝ＣＦＯＣＦ２ＣＦ（Ｃ
Ｆ３）ＯＣＦ２ＣＦ２Ｓ０２Ｆの共重合体膜をアンモニ
ア、アルキルモノアミンまたはジアミンと反応させた膜
等；■ ４級アンモニウム型陰イオン交換膜、例えばス
チレンとジビニルベンゼンの共重合体膜をクロルメチル
化した後無水トリェチルアミンで反応させた膜等。

これらのイオン交換膜には、通常ポリテトラフロロェチ
レン、ポリフッ化ビニリデン、４フツ化エチレンとエチ
レンの共重合体、４フツ化エチレンとクロロトリフロ。

エチレンの共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、
ガラス等の繊維製の布を裏打ちして膜強度を補強してい
るが、補強布は必ずしも必要ではない。本発明に使用で
きる電解槽は、軍槽枠とイオン交換膜とをガスケットを
介して交互に配列し、油圧またはボルト等で緒付けた電
解槽である。

単極式電槽でもよいし、または穣極式電槽でもよい。ま
た、雷槽は金属製でもよいし、プラスチックス製でもよ
い。以下に実施例を挙げて更に詳しく説明するが、本発
明はこれらに限定されるものではない。

実施例 １硬度Ｈｓ７０度のエチレン／プロピレンゴム
板にテトラフロロェチレン／エチレン共重合体繊維製の
補強布を２枚裏打して全ゴム層厚みが１．８柳のガスケ
ットを得た。

該補強布は、５００デニールのモノフィラメントを２０
メッシュに平織した布であり、ガスケットに裏打ちする
に先立って金属ナトリウムとナフタレンの混合物で表面
処理した。補強布の裏打ちは、表面ゴム層厚みが表−１
の如くなるように行った。これらのガスケットと、厚さ
１５０ミクロン、イオン交換容量が０．８３ｍｅｑ／そ
一乾燥樹脂のテトラフロロエチレン／共重合体フィルム
で３０メッシュのポリテトラフロロェチレン繊維が裏打
ちされたフッ素系陽イオン交換膜を、第２図の如く１の
×１仇の大型フィルタープレス型複極式電槽に組込んだ
後、矢印の方向に油圧で締付けた。

第２図において、１０は陽極ターミナル電槽枠、２川ま
陰極ターミナル電槽枠、５は霞槽枠であり、イオン交換
膜４をシールする部分にはガスケット３０が貼着してあ
る。

尚、第２図には液及びガスの吸緋口は省略してある。本
実施例では、通電しないまま陽極室８及び陰極室９に９
０℃の温水を糟内圧ＩＸ９′めで循環しながら所定のシ
ール面圧で３び分間保持した後、ガスケットシール部の
イオン交換膜の切断状況を調べた。シール面圧を徐々に
上げて行きながら、イオン交換膜が切断を始める面圧と
、ガスケットの表面ゴム層厚みｔ，の関係をみた。結果
を表一１に示す。電解中に、亀槽内圧が低下してシ−ル
面圧が４０乃至５０ｋ９′地まで上昇しても、イオン交
換膜の切断を防止するには、表面ゴム層厚みは０．７側
以下でなければならない。

表一１ 比較例 １ 実施例１の補強布を裏打ちしたガスケットの代りに、補
強布を裏打ちしないで全ゴム層厚みが１．８脚のガスケ
ツトを用いて行ったところ、シール面圧が１５ｋｇ′め
でイオン交換膜が切断した。

実施例 ２実施例１のガスケットとフッ素系陽イオン交
換膜を第２図のフィルタープレス型電槽に組込んだ後、
シール面圧２０ｋｇ′めで綿付けた。

陽極室に９０℃の洲−食塩水、陰極室に９０ｑｏの８Ｎ
−苛性ソ‐ダーを循環しながら電流密度５０Ａ′ｄめで
電解した。６ケ月間継続して電解した後、イオン交換膜
を取り出してガスケットシール部のイオン交換膜の切断
状況を観察した。

結果を表−２に示す。表−２表面のゴム層厚みが０．７
肋以下のガスケットではイオン交換膜は切断しないが、
０．８肋では長時間締付けるとイオン交換膜は切断する
。

６ケ月間電解後のガスケットの損耗状況を観察したとこ
ろ、補強布は陽極側、陰極側ともに全く損耗していなか
ったが、陽極側のゴムは援液部にクロリンバタ−が全面
できていた。

実施例 ３ 硬度Ｈｓ７０度のエチレン／プロピレンゴム板に、実施
例１のテトラフロロェチレン／エチレン共重合体繊維製
補強布を２枚裏打ちしてガスケットを得た。

補強布は裏打ちに先立って実施例１と同様に表面処理し
た。本実施例では、ゴム板の厚みを変えて全ゴム層厚み
が表−２の如くなるようにしたが、表面ゴム層厚みは０
．４肌になるように補強布を裏打ちした。これらのガス
ケットと実施例１のフッ素系陽イオン交換膜を第２図の
大型フィルタープレス型電解槽に組込んだ。

該大型電解槽には、いずれも露槽枠のコーナー部に０．
３乃至０．５側の厚みの歪があった。次いで、実施例１
と同様に露槽に９０ｏｏの温水を槽内圧ｌｋ９／めで循
環しながらシール面圧を徐々に上げて、檀外ＩＪ−クの
止まる面圧を測定した。結果を表−３に示す。全ゴム層
厚みが小さくなると、糟外リークの止まる面圧が次第に
高くなり、電解液の糟外リークを完全に防止する程度ま
でシール面圧を上昇すると、イオン交換膜が切断する危
険性が生ずる。

本実施例の全ゴム層厚みが０．６帆で、シール面圧を１
５０ｋ９／仇以上まで上昇した場合にはイオン交換膜の
切断を生じた。表−３ 実施例 ４ 硬度Ｈｓ６５度のクロロプレンゴムに、ナイロン−６製
補強布を裏打ちしてガスケツトを得た。

該補強布は、１２６０デニールのマルチフィラメントを
２０メッシュに平織した布であり、裏打ちに先立ってゴ
ムと補強布の接着性を改良するために、しゾルシンーホ
ルマリン処理を行った。補強布の枚数及び裏打ちの方法
は表−４の如くなるように行った。これらのガスケット
は、実施例１と同様の方法でイオン交換膜が切断を始め
るシール面圧を測定した。

結果を表−４に示す。表− ４ 表面のゴム層厚みが等しい時には、補強布の枚数が多い
程イオン交換膜が切断する面圧は高くなる。

実施例 ５ 硬度Ｈｓ６０乃至７０度のゴム板に、２枚の２０メッシ
ュに平織した補強布を裏打ちして全ゴム層厚みが１．５
側のガスケットを得た。

ゴム素材は表−５の通りであり、補強布は表面ゴム層厚
みが０．４肋になるように裏打ちした。これらの補強布
は裏打ちに先立って次の方法で前処理した。フッ素系繊
維：金属ナトリウム／ナフタレン処理ナイロン系繊維及
びポリエステル繊維：レゾルシン／ホルマリン処理炭素
繊維：ヱポキシ処理 これらのガスケツトと実施例１のフッ素系陽イオン交換
膜を大型フィルタープレス型電槽に組込んで、実施例１
と同様の方法で９０ｑｏの温水を３０分間循環してイオ
ン交換膜が切断する面圧を測定した。

結果を表−５に示す。また、これらのガスケツトと実施
例１のフッ素系腸イオン交換膜を該フィルタープレスに
組込んで、実施例２と同様の方法で９０℃の食塩水及び
苛性ソーダを循環しながら６ケ月間電解した後、イオン
交換膜の切断状況を観察した。

結果を表−５に示す。・ 雌 補強布を裏打ちしたガスケットは、短時間の締付けでは
、すべて優れたイオン交換膜の切断防止効果を有するが
、長時間緒付けると、本実施例の電解条件、すなわち耐
塩素性、耐アルカリ性等の耐食性が不充分なナイロン、
ポリエステル、アラミド等で補強したガスケットではイ
オン交換膜が切断するが、耐食性の優れたフッ素系繊維
、炭素繊維ではイオン交換膜は切断しない。

実施例 ６ 実施例１のガスケットと、ポリテトラフロロェチレン繊
維、レーヨン繊維で補強したフッ素系腸イオン交換膜（
商品名ナフィオン＃３９０Ｅ．Ｉ．デュポン社製）を、
第２図の大型フィルタープレス型電槽に組込んで、シー
ル面圧を７ｋ９′のに設定したほかは実施例２と同様な
方法で６ケ月間継続して電解した後、イオン交換膜を取
出してイオン交換膜の切断状況を観察した。

結果を表−６に示す。尚、電解によってイオン交換膜の
補強用レ−ョン繊維は、通電面およびガスケットシール
面のいずれも溶失していた。表面のゴム層厚みが０．７
柳以下のガスケットではイオン交換膜の切断はないが、
０．８肌以上では長時間締付けるとイオン交換膜は切断
する。

表−６

【図面の簡単な説明】

第１−Ａ図は、補強布が１枚のガスケットの断面図であ
り、第１−Ｂ図は、補強布が２枚のガスケットの断面図
である。 第２図は、フィルタープレス型電槽の断面図である。５
，１０，２０：電槽枠：３０：ガスケット：４：イオン
交換膜；３ａ：ガスケットのイオン交換膜側表面；３ｂ
：ガスケットの亀槽枠側表面；ｌａ，ｌｂ：補強布；２
：ゴム層；ｔ，：表面ゴム層厚み；ら十ｔ２又はら十ｔ
２＋ら：全ゴム層厚み。 ※ｌ−Ａ図繁ｌ−Ｂ図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電槽枠とイオン交換膜とを少なくとも１枚のゴム製
   ガスケツトを介して交互に配列して構成される電解槽に
   おいて、ゴム製ガスケツトが補強布で裏打ちされている
   ことを特徴とするイオン交換膜式電解槽。 ２ 補強布を裏打ちしたゴム製ガスケツトのイオン交換
   膜側の表面ゴム層厚みが０．７ｍｍ以下である特許請求
   の範囲第１項記載の電解槽。 ３ 補強布を裏打ちしたゴム製ガスケツトの全ゴム層厚
   みが１ｍｍ以上である特許請求の範囲第１項又は第２項
   記載の電解槽。