JPS6053115B2 - 電解槽 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 開示の摘要 寸法安定陽極と、前記陽極を陰極室から隔てる無孔イ
オン選択性隔膜と、陰極室の導電壁と隔膜との間に伸長
し陰極室の壁と前記隔膜との間に電流を伝える陰極室内
のばらばらの陰極物質の多孔性の静止ベッドを備えた電
解槽を開示する。

この電解槽は電極間隙を実質的に隔膜の厚さに減じ、隔
膜を陽極に対して押し付けるものである。従つて全電極
面積に亘つて電流密度を頗る均一なものとし、他種の電
解槽で生ずる局部的な機械的電気的応力による隔膜の性
能の低下を来たすおそれのある電流密度の局部的な差異
をなくし、有効陰極面から陰極室の室壁へ電流を導く方
法を提供するものである。先行技術とこの発明の目的 この発明は、概略すると、イオン選択性隔膜で被覆した
陽極を具備する電解槽であつて、陰極が小さな導電性粒
子から成る静的多孔性ベッドで構成され、そのベッドが
陰極室の室壁と隔膜壁との間に伸長し、前記陽極に対し
て前記隔膜を押し付けている。

より詳細に述べると、この発明はハロゲン化アルカリ金
属の水溶液の電解槽に関するものであるが、ＨＣｌ溶液
の電解、水の電解、有機および無機酸化および還元など
、電解条件下で分解を行う塩類の電解のような他の電解
作用を実行するのにも用いることができる。最近、従来
からのアスベスト隔膜の代りにイオン交換膜を使用する
電解槽が、とくにブラインの電解用として開発されてい
る。

イオン交換膜は作動状態にあつて導電性であるが、液体
およびガスの流体力学的の流れを透過しない。作動に当
つて、ハロゲン化アルカリ金属を陽極室に導入すると、
ガス状ハロゲンが陽極の表面に生ずる。アルカリ金属イ
オンは陽イオン膜を選択的に通過し、アルカリ金属イオ
ンが水の電解により陰極に生ずる水酸基と組み合わされ
て水酸化アルカリ金属を−生ずる。陽イオン膜を備えた
電解槽は従来の隔膜式電解槽よりも多くの利益を備えて
いる。

陽イオン膜を備えた電解槽は、水酸化アルカリ金属の比
較的純粋な溶液ができるので、多孔性隔膜の場合のよう
に水酸化物を後で分離して精製しなければならないよう
なブラインで希釈されることがなく、電解法を頗る効果
的かつ簡易に行える。無孔隔膜の特性を十二分に活用す
るためには、電極間の距離（すなわち電極間隙）を最少
限に短縮することが望ましく、このように短縮すると作
動電圧に顕著な効果があり、結局は電解処理の工．ネル
ギ効率にきわだつた効果がある。

市販の隔膜は電流密度に鋭敏で、これはその効果的な作
動についてある種の望ましい限度内に保たなければなら
ない。

電流密度は隔膜を破損させてしまうであろう機一械的お
よび電気的応力の発生を回避するよう全面に亘つて殆ん
ど一定にすべきものである。

周知の隔膜式電解槽においては、以上に挙げたような助
変数は構造上の許容限度に大きく左右されるもので、市
場の電解槽の電極面の寸法からして、電極スペースが（
数ミリメートル程度の）きわめて小さなものに関して、
陽極面と陰極面との厳密な平行関係に対して回避するこ
とのできない偏差も隔膜の表面についての電流密度に多
少の変動を招ねくものてある。

その結果として、隔膜の各種の領域で局部的に電流密度
を補正しようとした従来の試みは不首尾に終つている。
この発明の実施態様によれば、ハロゲン化アル易カリ金
属の水溶液の電解に特に適する陽イオン隔膜電解槽を提
供するものであつて、その電極スペースは周知の電解槽
のそれとくらべて遥かに小さく、電極スペースは電極面
全面に亘つて一定であり、しかも、こうした特性は電解
槽に厳格な機械的公差を加えるものでなく、かえつて従
来の厳格な機械的公差を無用のものとするものである。

この発明の目的は電極面と電解槽の容積との比が頗る高
比率である隔膜式電解槽を提供することにある。この発
明の目的は陰極室に調節した度合の水分を送り込んで隔
膜の陰極側の導電率を維持することにある。

この発明の目的はまた陰極室に送り込む水分の量を加減
して陰極室の水酸化アルカリ金属の濃度を調節すること
にある。

この発明の以上に述べた以外の目的と利益とはさらに下
記によつて明確にする。

この発明の電解槽の好ましい実施態様のものは陰極液の
環境内て腐食しない鋼その他の導電性物質製の陰極容器
から成り、その容器の上端は陽極分極条件下で不動態で
あるチタンその他のバルブメタルの板またはカバーで閉
塞れており、チタンのカバー板には孔が設けてあつて少
くとも１本、望ましくは一連の管状陽極がその孔に溶着
してあつて、ほとんど容器の高さ全体に伸長し、管状陽
極の管壁には（チタン板に溶接した附近の管壁の上部を
除いて）穿孔してあつて液体およびガスが透過するよう
にしてある。

陽極は寸法安定のもの、主にチタンその他のバルブメタ
ル製で、その活性面の少くとも一部に陽極条件に耐え不
動態でない、導電性電気触媒の被覆、好ましくは白金、
パラジウム、ロジウム、ルテニウム及びイリジウム、ま
たはその酸化物また？混合酸化物の被覆が施してある。

管状陽極の下端は不活性物質、好ましくはプラスチック
製の栓で閉塞してあつて、同心のねじ孔があけてある。
管状陽極の透過することの出来る管壁はその外部を隔膜
ですつかり覆つてあつて管状陽極の内側を陽極室に形成
させている。陰極容器の下端は板、好ましくは不活性の
プラスチックの板で閉塞してあり、数多くの管状陽極の
内部にブラインその他の陽極液を供給する装置、主とし
てプラスチック製の導入管が設けてあつて、この管のフ
ランジには容器の底板をシールするフランジを備えてい
る。

陽極液は管状陽極の閉塞栓のねじ孔にねじ込んだ管状継
手を経て送られる。好ましい実施態様の容器には陰極ガ
スを排出する排出口がその上部に設けてあり、その下部
には陰極液排出用の排出口と希釈陰極液または水を陰極
室に再循環する導入管が設けてある。

容器のカバーに溶接した陽極はカバーの孔を経て容器の
上部の室と連通し、この上部室にて陽極ガスが電解液か
ら分離し排出口から脱出しガス回収系装置に送られ、電
解液は電解槽に再び送り込まれる以前に再飽和系装置へ
再循環される。電解槽の陰極は小片、小球、ボール、円
筒、ラシヒリング、金属綿、その他の粒子状の、ばらば
らの導電性物質の多孔性静止ベッドから成つていて、こ
れら粒子が容器にぎつしりと詰つており少くとも隔膜で
被覆した管状陽極の透過壁の高さに達している。

陰極物質の充填物は容器の内壁と数多くの管状陽極上の
隔膜の外面とに接触しており隔膜を押し付けている。導
電性陰極充填物質はグラファイト、鉛、鉄、ニッケル、
コバルト、バナジウム、モリブデン、まはその合金、金
属間化合物、金属の水素化物、炭化物および窒化物、ま
たは導電性が良好て陰極条件に耐えるその他の物質とす
ることができる。鉄、ニッケル及びその合金のような低
水素過電圧を呈する物質はブラインの電解に特に適する
。

これに反して、たとえば、酸性硫酸塩陰極液を陰イオン
隔膜を用い陽極に酸素を発生させてＦｅ■をＦｅ■に還
元するには鉛および鉛合金のような高水素過電圧の粒子
状物質が好ましい。陰極充填物質には前述した導電性て
耐陰極性物質の層を被覆したプラスチック、セラミック
、その他の非導電性物質を含めることもできる。管状陽
極を溶着するチタン板またはカバーは絶縁ガスケットで
陰極室から絶縁されている。

それは電流分布回路網の正の端子に接続してあり、陰極
室は電流分布回路網の負の端子に接続してある。陰極充
填物は陰極的に分極され陰極としての機能を果し、陰極
物質の静止ベッドの多孔度は陰極ガスを急速に排出させ
るに役立つものであつて陰極容器の内壁を陰極的に保護
するのに寄与している。

電極のスペースは隔膜の表面に隣接するベッドの粒子に
よつて表わされる陰極物質の幾何学的に不確定な、そし
て隔膜を付着させる管状陽極の透過壁のメッシュの幾何
学的に不確な電解液流束線の局部的偏向によつて隔膜の
厚みより狭ばまれている。

陰極充填物質と陽極との間のスペースは電解処理時には
本質的に一定になつている。

以上の電解槽の構成によつて、機械的で電気的応力が生
じて隔膜を破壊する恐れのある急激な局部的電流密度の
差異を招ねくことなく、全電極面積に亘つて均等な電流
密度を生ずる。

複数本の管状陽極を具備するこの発明の電解槽の好まし
い実施態様のものは、電極面と電解槽によつて占められ
る容積との比が従来の市販の隔膜電解槽より遥かに大き
いにもかかわらず、頗る小型であるという利点がある。

この発明の好ましい実施態様の図面は、電流密度が極め
て均等であり、コストが低いので好まし”い長方形の容
器に円管の陽極を用いたものを示してある。しかし、陽
極管は他の形状、たとえば長円形、長方形、六角形、そ
の他の多角形のものを用いることができ、これらの形状
はこの明細書中１管ョと述べず範ちゆうに入るもので、
容器も長方形、円筒形その他の形とすることが出来るも
のである。円筒形容器内に１本の同心の円筒形陽極を収
納したものはこの発明の実施に当つて余り良い例とはな
らないが、この実施態様でも多数のセルを用いれば所望
の容量を達成することができｊる。この発明の電解槽を
塩素の製造に関連して説明するが、他の製品を生産する
電解にも適用することが出来るものである。第１図に示
すように、電解槽は鋼またはニッケル、あるいはその合
金、あるいはその他の導電性陰極的に耐える物質製の長
四角形の陰極容器１から成つている。

容器１にボルト締めしたチタンその他陽極的に不動態の
バルブメタル製のカバー２が容器を頂部で閉じている。
絶縁ガスケット３が陰極容器１とチタンカバー２の間に
設けてある。チタン製の管状陽極４がカバー２の孔に溶
着してあつて図面に示すようにカバー上方に突出してい
る。管状陽極４の管壁には孔その他の穿孔が設けてあり
、これらの孔はカバー２より僅かに下方から陽極４の底
部に設けられている。陽極の穿孔部６は無孔の頂部に網
状または拡張したチタン板を溶着したものとするか、あ
るいは頂部と一体に構成させることができる。管状陽極
４の穿孔部６の表面には電気触媒被覆を適当に被覆させ
る。この被覆は陽極条件に対して非不動態て耐えるもの
、主に貴金属または貴金属の酸化物を含有するものであ
る。管状陽極４はその下端をチタン製の栓または閉塞体
７を溶着して閉塞するか、あるいは第１図に示すように
、同心のねじ孔７ａを設けたＰＶＣなどのような耐薬品
性プラスチック製とすることが好ましい。好ましくは管
状の陽イオン隔膜８が陽極４上にかぶせてあり、陽極の
無穿孔頂部と、プラスチック製のバンド９で栓７の円筒
外面に締め付けてある。

この取り付け方は、通常のフィルタ・ブレス電解槽ては
面倒な隔膜と陽極４の穿孔部との間の流体シールを容易
かつ完全に果すものである。陽イオン隔膜８は陽イオン
を透過し、液体とガスの流体力学的な流れを透過するこ
とのないものとすることか好ましい。その隔膜用物質と
して適。当なものはスルホン酸基を含有するフッ化重合
体または共重合体である。この種の物質は頗る可撓性で
あつて射出するか或は平らなシートをホット接着して管
状のものにされる。この種隔膜の厚さは１紛の１ミリメ
ートル程度のものである。容器１を１８０メ回動して充
填を容易にし、陰極物質１０を詰める。次で容器を陽極
４の各々の基部のところに穿孔した長四角形の板１１で
閉塞する。この板は不活性のプラスチック製とすること
が好ましい。これまた不活性のプラスチック製のく長四
角形のブライン分配箱１２が板１１に溶着してあり、ブ
ライン導入用開口１４を備えた閉塞板１３で閉塞してあ
る。板１１と長方形の容器１のフランジ２７の底の間に
ガスケットを設けることが出来る。板１１のフランジ２
７は容器１の底フランジにボルト付けすることができ、
閉塞板１３は分配箱１２の底にボルト付けするとができ
る。ブライン分配箱は管状コネクタ１５で陽極４の内部
に連絡されている。このコネクタの一端はフランジ付で
、閉塞栓７のねじ孔７ａにねじ込んである。コネクタ１
５のフランジとブライン分配箱１２の間にシールまたは
ガスケットが設けてある。陰極室には管状陽極の透過で
きる部分６の頂部ｌに達するところまで粒子状物が詰め
てある。陰極室には粒状層１０の高さより高い部位に、
水素排出用の１個以上の排出口１７か設けてあり、その
下部には陰極液排出用の可調節グーズネツク型排出口１
８が設けてある。粒子状物質１０の上面より上部に散水
管すなわちスプレー管２４が容器の全長に亘つて水平に
伸長していて、この管には一連の孔が設けてあり陰極室
内に生じた水酸化アルカリ金属の濃度を希釈調節するた
め陰極室に水または陰極液を加えるようにしてある。陰
極に生じた水酸化物を希釈し電解槽から流出する陰極液
中の水酸化物濃度を２５（重量）％ないし４３（重量）
％内に保つために散水管２４を経て陰極室内に水を絶え
ず添加することが望ましい。

管状陽極４の各々の頂部は電解槽容器１の上部全体に亘
つて伸長する長四角形のタンク１９に接続してある。タ
ンク１９内の電解液の液位は電解液排出用グーズネツク
型排出管２０て一定に維持される。管２０から排出され
る電解液は電解液導入管１４を経て電解槽内に再循環さ
れる前に再飽和系装置に送られる。陽極に生じたハロゲ
ンはタンク１９内の電解液から分離し出口２１を経て排
出する。

管状陽極４が溶着されている板すなわちカバー２は接続
部材２２て電源の正の端子に直結してあり、陰極容器１
は接続部材２３で負の端子に接続してある。

第２図は第１図の線１−１についての断面図で第１図に
ついて述べた電解槽の諸要素が同じ符号で示してある。

散水管２４の位置は陰極容器１の陰極物質の粒子１０の
高さより高いところに破線で示してある。図面に示して
ある電解槽は長四角形のケーシング内に６本の管状陽極
を具備しているが、陽極の本数は横方向に変えることが
でき、多数列のものを使用することができ、また電解槽
の形状と陽極とを図面に示すものと異ならせることもで
き、この発明の精神と範囲内で他の態様のものとするこ
とが出来る。

管状陽極４の円筒表面は容器１の容積に比較して頗る広
いもので、一般市場で用いられている電解槽とくらべる
とき、電解槽についての電流密度が等しいのに、小型の
電解槽で高率の生産高を挙げられる。

作動に当つて、たとえばＮａＣｌの濃ブライン（１２０
〜３１０ｙ／ｌ）を導入口１４を経て分配箱１２に送り
、管状陽極４の各陽極を経て塩素の生する電気触媒被覆
面上を上昇させた。ナトリウムイオンは陽イオン膜を通
過し、水の電解により陰極に釈放される水酸化物と混合
して水酸化ナトリウムをつくる。塩素は管状陽極４の内
側に入つている電解液中を上昇してタンク１９内に入り
、そこて液体と分離して排出口２１を系て排出する。上
昇する塩素気泡は管状陽極４内の電解液を急速に上方へ
流動させる。上昇しなかつたブラインは定液位の排出口
２０を通り、入口１４を経て電解槽中に再導入されるに
先立つて再飽和系装置へ再循環される。

隔膜８に隣接する多孔性陰極ベッドの表面上に釈放され
た水素は粒状床１０を経て陰極容器の上面に集まり、そ
こから排出口１７を経て排出される。

水酸化ナトリウム溶液は可調節グーズネツク型排出口１
８を経て排出される。可調節グーズネツク型排出口１８
は陰極液の液位を陰極ベッド１０の頂部と同じ高さに維
持する。陰極液は電解槽の外部に配設されている水酸化
ナトリウムの回収系装置を経て循環され、流出する希釈
水酸化ナトリウム溶液は散水管２４を経て陰極室に再導
入される。

作動温度は３０さと１０（代）の間で変更することがで
きるが、約８５℃に保つことが好ましい。

陽極液のＰＨ価は１と６の間で変えることができ、電流
密度は１０００ないし５０００Ａ／イの間とすることが
出来る。この発明の電解槽を図面について説明したが、
多くの変更をこの発明の精神の範囲内に遂行できること
、他の電解処理を以上に説明した電解槽で行えること、
チタンの代りに、タンタル、ジルコニウム、モリブデン
、ニオブ、タングステン、イットリウムなどの他のバル
ブメタルを電解槽を構成するのに使用できること、静止
導電性粒子物質を別の型式の電解槽に使用することがで
きることを諒解されたい。

・図面の簡単な説明 第１図はこの発明の好ましい実施態様の断面図で、第２
図は第１図の線１−１に沿う断面図で、断面上の諸部分
は点線で示してある。

図面において主要部分は次の符号で示してあ門る。

１・・・・・・陰極容器、２・・・・・・カバー、３・
・・・・・ガスケット、４・・・・・・管状陽極、６・
・・・・・陽極の穿孔部、８・・・・・・陽イオン隔膜
、１０・・・・・・陰極粒子状充填物質、１９・・・・
・・タンク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電解液およびガス透過性陽極を収容する陽極室と、
   液体不透過性イオン交換隔膜によつて隔てられた電解液
   およびガス透過性陰極を収容する陰極室と、前記陽極室
   に電解液をそして陰極室に水を供給し、前記陽極室と陰
   極室とから電解によつて生成した液体またはガス生成物
   を回収する装置と、電解槽に電流を加える装置とから成
   る電解槽において、電解液およびガス透過性陰極を導電
   性であつて陰極液について耐食性の多孔性充填物質の静
   止ベッドで構成し、前記ガス透過性陽極と隔膜および隔
   膜と陰極が接触状態にあることを特徴とする電解槽。 ２ 多孔性充填物質を球状、小球状、サドル状、ラシヒ
   リング状、円筒状、小片状、金属ストランド状、金属綿
   状のものとした特許請求の範囲第１項に記載の電解槽。 ３ 陽極と電気触媒的に被覆した多孔性バルブメタルと
   した特許請求の範囲第１項および第２項に記載の電解槽
   。４ 隔膜を陽イオン透過性重合体フィルムとし、スル
   ホン基を有するフッ化炭化水素重合体から成るものとし
   た特許請求の範囲前記各項のいずれかに記載の電解槽。 ５ 多孔性の充填陰極物質をグラファイト、鉛、鉄、ニ
   ッケル、コバルト、バナジウム、モリブデン、亜鉛、そ
   の合金、金属間化合物、金属の水素化、炭化、窒化化合
   物および／または低水素過電圧の物質から成る部類に属
   するものとした特許請求の範囲前記各項のいずれかに記
   載の電解槽。