JPS6147230B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、陽イオン交換膜を用いた塩化アルカ
リ水溶液の電解において、陰・陽極室を耐食性金
属薄板により形成する新規な電解槽に関するもの
である。

陽イオン交換膜を隔膜として食塩水溶液の電解
を行ない、塩素および苛性ソーダを製造する方法
は公知である。陽イオン交換膜を用いる電解方法
は、陰極で生成する苛性ソーダ中に混入する食塩
の量が極めて少なく、又、水銀法やアスベスト隔
膜法などに比較して公害問題もなく、近年になつ
て特に注目されてきた。

陰極室で得られる苛性ソーダの濃度及び電流効
率を高めるべく陽イオン交換膜の開発、改良がな
され、最近では30wt％以上の苛性ソーダを90％
以上の高い電流効率で得ることができるパーフル
オロカーボン重合体を基材とした陽イオン交換膜
が開発され、現在一部では商業化されている。

一方、近年エネルギー節約の重要性が世界的に
認識されつつあり、この分野においては電解電力
を極力少なくすること、即ち、電槽電圧を極力低
下させることが強く望まれている。これまで電槽
電圧を低下させる目的で発生するガスを電極の背
面に抜け易くするために、エキスパンドメタル、
パンチメタル、金網状などの多孔性電極を使用し
たり、あるいは陽イオン交換膜の組成、交換基の
種類を特定化する等の種々の手段が提案されてい
る。一方、電槽電圧を低下させる手段として液の
循環、気液分離構造、極間の減少等の電解槽構造
も提案されている。また、近年さらに省エネルギ
ーの見知から電極間距離が実質的にゼロであり、
膜に密着一体化した状態で電解する方法として
SPE法（Solid Polimer Electrolyte Process）と
呼れる技術が特開昭53−102278号で開示されてい
る。また、省エネルギーの面から電力消費の一層
の低下が望まれ、特願昭55−92295号、特願昭56
−61248号に開示されるように鉄よりも低い水素
過電圧を有する陰極の開発が種々なされている。
しかし、それらの活性陰極を用いる方法では、鉄
の溶出量が短期間に極端に増加する現象が認めら
れる。この現象は更に高温、高アルカリ濃度指向
という厳しい電解条件下においては、一層顕著に
現われる。したがつて、対アルカリ耐食性を有す
るニツケル等の金属を用いて陰極室を構成するこ
とが考えられる。しかしながら、陰極室の構成金
属すべてにニツケルを用いることは高価であり、
実用的でないとされてきた。

陽イオン交換膜を用いる電解槽は、現在フイル
タープレス形のバイポーラータイプとモノポーラ
ータイプとが実施されている。電解槽の構成上、
モノポーラータイプでは給排電方式が複雑であ
り、バイポーラータイプでは陰・陽極室間の電気
的接続方式が複雑である。電気的接続方法は、ネ
ジ込み式又は耐水素透過性金属を間に入れた爆着
方式等が開示されているが、それらの方法は高価
であると共に、長期運転下で問題となるところで
ある。

本発明者らは、これらの問題点を一挙に解決す
べく種々検討の結果、本発明に至つたものであ
る。

本発明は、陽イオン交換膜を隔膜とするハロゲ
ン化アルカリ電解槽において、陰・陽極室を耐食
性金属薄板を用い、プレス加工等により波形に成
形し、ネジ込み方式又は爆着方式のコネクターを
用いることなく電流を陽極室から陰極室への圧接
接合により給電し、コネクターによる電圧ロスを
なくすと共に、陽イオン交換膜と電極は実質的に
密着接合されてなる電解槽を多数組合せた複極式
電解槽を要旨とするものである。

添付した図面により、本発明を更に詳しく説明
する。これらの図面は複極式電解槽についてのも
のであるが、本発明が複極式電解槽にのみ限定さ
れるものではない。

第１図は、本発明による複極式電解槽構造を示
す見取図である。第２図は、陽・陰波形極室薄板
であり、極室薄板の垂直断面図を第３図に、その
水平断面図を第４図に示す。また第５図は陽イオ
ン交換膜、電極、ガスケツト等を組立てた状態の
水平断面図である。

第１図において１７は陽極室薄板固定用の額縁
状室枠であり、１は対塩素耐食性金属の波板状に
プレス加工された陽極室薄板であり、２は該室枠
の下部に設けられた塩水の給液ノズルであり、３
は陽極室液及び電解発生塩素ガスの排出ノズルで
あり、４は対苛性耐食性金属の波板状にプレス加
工された陰極室薄板であり、５は純水又は希薄苛
性水溶液の給液ノズルであり、６は取得苛性水溶
液及び電解発生水素ガスの排出ノズルであり、７
は陽極側のエンドプレートであり、８は陰極側の
エンドプレートである。９は陽イオン交換膜であ
り、１０は電流を極室内に均一に分流するための
給排電ブスバーであり、１１は各セルを均一に締
付けるために設けたタイロツドである。

第１図の如く組立てられた複極式電解槽の所定
の個所に塩水、純水（又は希薄苛性水溶液）を供
給しつつ電解を行なつた場合の電流は陽極ブスバ
ー→陽極エンドプレート→陽極室薄板→陽極→陽
イオン交換膜→陰極→陰極室薄板→陽極室薄板→
……陰極エンドプレート→陰極ブスバーと流れ
る。陽極では陽極反応が起こり塩素ガスが発生す
る。該電極と陽イオン交換膜は実質的に密接構造
となつているため、電解発生ガスは、膜と電極の
間に滞留することなく、電極の後方に速やかに排
出され、極室上部の排出ノズルより陽極液と共に
電槽外に排出される。陰極では陰極反応により水
素ガスと苛性ソーダが生成する。生成物はほぼ陽
極室と同一の流動状態で上部排出ノズルより電解
槽外に排出される。

次に、本発明の電解槽に用いる各構成要素の関
係を詳しく説明する。

陽イオン交換膜としては、その官能基がカルボ
ン酸基又はスルホン酸基又はそれらの混合膜であ
り、ハイドロカーボン系の陽イオン交換膜であつ
てもパーフルオロ系の陽イオン交換膜であつても
よい。さらに、膜の両表面が平坦かつ平滑なる膜
が好ましい。

陽極としては、チタン基体上に、例えば常用の
白金族金属やそれらの合金又はこれら金属や合金
の酸化物を塗布、焼結して用いるのがよい。

陰極としては、白金属金属、ニツケル、コバル
トあるいはこれらの合金金属を用いるか、又はニ
ツケル、鉄系金属の基体上に低い水素過電圧を有
する金属被覆をメツキ法又は溶射法等により施こ
して用いるのが好ましい。電極形状は、エキスパ
ンドメタル、パンチドメタル、ワイヤーメツシユ
等の気体透過性と液体透過性を保持せしめた多孔
体であり、イオン交換膜に接しない側の電極面は
機械加工等により平坦かつ平滑な面にした上で、
電気的、機械的に十分接続されていることが必要
である。

電極厚みは1.0ｍ／ｍ以下、平坦度は0.5ｍ／ｍ
以下であることが好ましい。

極室薄板としては、陽極室はチタン、陰極室は
ニツケル、鉄系金属を用いることができるが、水
素過電圧の低い活性陰極を用いる場合はニツケル
を用いることが好ましい。

第２図は、極室薄板の平面図であり、１２は極
室液の給液ノズルであり、１３は極室液及び電解
発生ガスの排液ノズルであり、１４は電極に接す
る波形の凸部であり、１５は対極室に接する波形
の凹部である。凹凸の間隙は３〜30ｍ／ｍであ
り、好ましくは５〜10ｍ／ｍである。また凸部の
高さ、即ち極室スペースは３〜30ｍ／ｍであり、
好ましくは３〜10ｍ／ｍである。凸部は電極との
圧接接続部であり、凹部は対極室との圧接接続部
である。したがつて、凹凸の頂点は２〜５ｍ／ｍ
の幅で精度よく平坦で平滑な面が出ていなければ
ならない。また、凹凸部の頂点には黒鉛等の導電
性被膜を形成することは有効である。１６は給液
の均一な分散と排出気液の集合を行なうための合
理的に設計された凹部である。極室薄板の厚さ
は、ニツケル、チタン基体を用いる本発明では対
極室液の耐食性及び電気導体としての面積は十分
であるため、経済性と加工性から選定すれば良
く、適用板厚は0.5〜3.0ｍ／ｍであり、好ましく
は１〜２ｍ／ｍである。

第３図は、極室薄板の垂直BB′断面図を、第４
図はその水平AA′断面図を示す。

１７は極室薄板を固定する額縁状の室枠であ
り、材質は鉄又は鉄系合金で十分である。

以上の如く、本発明の要旨は電極と膜が密接し
ているため、構造上の問題となる陽極室と陰極室
のコネクター構造を用いることなく、圧接接合の
みで通電が可能となる点を見出したものである。
さらに、理解を明瞭にするため、各構成要素を組
立てた電解槽の水平断面図を第５図に示す。第５
図において１８はカルシウム、マグネシウム等の
溶出の少ないクロロプレンゴムあるいはEPDMゴ
ム等のガスケツトであり、１９は陽極であり、２
０は陰極であり、他の個所は前記記載の番号と同
じである。

次に、実施例により本発明を更に詳しく説明す
る。

実施例 １ 厚み1.0ｍ／ｍ、１辺が120cm、他辺が120cmの
ニツケル板とチタン板をプレス加工し、凸部の高
さ５ｍ／ｍ、凹凸のピツチ10ｍ／ｍに波形加工し
た陰・陽極室板を用い、多孔質電極として陽極は
チタン基材の全面に塩化ルテニウムを塗布し、
360℃で焼成して活性化したＭ−20マイクロメツ
シユ（桂田グレーチング製）を用い、陰極はニツ
ケル製Ｍ−20マイクロメツシユ（桂田グレーチン
グ製）をそのまま用いた。

陽イオン交換膜としては、CF₂＝CF₂とCF₂＝
CF−Ｏ−CF₂−CF（CF₃）−Ｏ−CF₂−SO₂Fと
を１，１，２−トリクロロ−１，２，２−トリフ
ルオロエタン中パーフルオロプロピオニルペルオ
キシドを開始剤として共重合して得た共重合体
（スルホン酸基として交換容量は0.91m−eq／
ｇ）（Ａポリマー）、とCF₂＝CF₂とCF₂＝CF−Ｏ
−CF₂−CF（CF₃）−Ｏ−CF₂−COOCH₃とを共
重合して得た共重合体（カルボン酸基としての交
換容量は1.1m−eq／ｇ）（Ｂポリマー）をＡポリ
マーを４ミルの厚さで、Ｂポリマーを３ミルの厚
さでそれぞれフイルムに成型したのち、これらの
フイルムを２枚重ね合せて熱圧着し、１枚のフイ
ルムとし、続いて該フイルムを濃度10wt％の
NaOH／メタノール（重量比1/1）で80℃、６時
間加水分解を行なつて得た陽イオン交換膜を用い
た。

次に、このようにして得られた膜、陰・陽電極
及び陰・陽極室薄板を順次多槽のフイルタープレ
ス式電解槽に組上げ、両端にエンドプレートを設
置して、タイロツドで均一に締上げて複極式電解
槽とした。そして電解槽両端のブスバーにそれぞ
れ直流電源を接続した。そして次の条件により食
塩水の電解を行なつた。

供給塩水濃度 230ｇ／ 生成苛性ソーダ濃度 32wt％ 電流密度 30A／ｄm² 電槽温度 90℃ １槽当りの電槽電圧 3.40V 従来装置よるイオン交換膜電解の場合、上記と
同じ条件で１槽当りの電槽電圧は3.80V以上であ
り、本発明による電槽電圧の低減効果の大きいこ
とがわかる。

実施例 ２ 実施例１における陰極をNi塩0.01〜1.0モル溶
液のチオ尿素及び／又は硫黄の酸化数が５以下の
オキソ酸塩の少なくとも一種、硫黄濃度に対し
10.5倍モル濃度以上のアンモニウムイオンを含む
ニツケル、ニツケル浴によりニツケルメツキして
活性化したＭ−20マイクロメツシユ極を用いて実
施例１と同じ運転条件で電解したところ、電槽電
圧は3.20Vであつた。また200日間の運転でも極
室薄板等の腐食は全く起らなかつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による複極式電解槽構造を示
す見取図、第２図は陽・陰極波形極室薄板、第３
図は極室薄板の垂直断面図、第４図は水平断面図
および第５図は陽イオン交換膜、電極、ガスケツ
ト等を組立てた状態の水平断面図である。 第１図において、１７は陽極室薄板固定用の額
縁状室枠であり、１は対塩素耐食性金属の波板状
にプレス加工された陽極室薄板であり、２は該室
枠の下部に設けられた塩水の給液ノズルであり、
３は陽極室液及び電解発生塩素ガスの排出ノズル
であり、４は対苛性耐食性金属の波板状にプレス
加工された陰極室薄板であり、５は純水又は希薄
苛性水溶液の給液ノズルであり、６は取得苛性水
溶液及び電解発生水素ガスの排出ノズルであり、
７は陽極側のエンドプレートであり、８は陰極側
のエンドプレートである。９は陽イオン交換膜で
あり、１０は電流を極室内に均一に分流するため
の給排電ブスバーであり、１１は各セルを均一に
締付けるために設けたタイロツドである。 第２図において、１２は極室液の給液ノズルで
あり、１３は極室液及び電解発生ガスの排液ノズ
ルである。１４は電極に接する波形の凸部であ
り、１５は対極室に接する波形の凹部である。第
５図において、１８はカルシウム、マグネシウム
等の溶出の少ないクロロプレンゴムあるいは
EPDMゴムのガスケツトであり、１９は陽極であ
り、２０は陰極である。他の番号は各図記載の番
号と同じである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 陽イオン交換膜を用い陽極室と陰極室とを区
   割し、陽極室に塩化アルカリ水溶液を供給して陽
   極室より塩素ガス、陰極室より水素ガス並びに苛
   性ソーダを取得する電解槽において、極室内部の
   水平断面形状が波型形状となる構造を有し、陰極
   室耐食性金属薄板と陽極室耐食性金属薄板とが電
   気的に直接接合されて設置してなる電解槽。 ２ 陰極側の耐食性金属薄板がニツケル、陽極側
   の耐食性金属薄板がチタンである特許請求の範囲
   第１項記載の電解槽。 ３ 陰・陽極室形成耐食性金属薄板を導電体とし
   て用いる特許請求の範囲第１または２項記載の電
   解槽。 ４ 陰・陽極を陽イオン交換膜に密着あるいは近
   接してなる特許請求の範囲第１，２または３項記
   載の電解槽。