JPS6197336A - 複層型含フツ素イオン交換膜の再生方法 - Google Patents

複層型含フツ素イオン交換膜の再生方法

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JPS6197336A
JPS6197336A JP59217348A JP21734884A JPS6197336A JP S6197336 A JPS6197336 A JP S6197336A JP 59217348 A JP59217348 A JP 59217348A JP 21734884 A JP21734884 A JP 21734884A JP S6197336 A JPS6197336 A JP S6197336A
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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】 [産業上の利用分野] 本発明は、塩俵及び苛性アルカリの製造の為の電解等に
使用された複層型含フッ素イオン交換膜の再生方法に関
する。
含フッ素イオン交換膜は、塩化アルカリを電解して塩素
及び苛性アルカリを製造する場合の   ゛電解槽の隔
膜として、その優れた性能の為に、現在使用され、また
将来増々使用されようとしている。このような含フッ素
イオン交換膜としては、その性能上カルボン酸基又はス
ルホン酸基をもつ二種以上の含フッ素ポリマーのフィル
ムを積層してなる複層型のイオン交換膜が近年用いられ
る傾向にある。
一方、上記の含フッ素イオン交換膜は、機械的損傷或い
は使用中に膜内に不純物のP?積の為に性能が低下すカ
云どの理由から有限の寿命を41する。現在、これらの
寿命の為に使用に適しなくなった含フッ素イオン交換膜
は2その高価な原材料にもかかわらず廃棄されているの
が通常である。
本発明は、使用に適しなくなった含フッ素イオン交換膜
、特に近年多く使用されている複層型含フッ素イオン交
換膜の再生方法を提供するものである。
[従来の技術] 使用済みの含フッ素イオン交換膜からなる含フッ素ポリ
マーを回収する方法は、従来、特公表56−50139
4号として知られている。
この方法は、スルホン酸基又はカルボン酸基をもつ重−
の含フッ素ポリで−からなる含フッ素イオン交換膜を再
生する場合に、まず、上記含フッ素ポリマーのイオン交
換膜を、フルオライド型又はエステル型の状態に転化せ
しめた後に、含フッ素ポリマーを特定のパーフルオロ化
合物の低分子量ポリマーやポリフルオロケロシン等の沸
点が200〜350°αの一テ”ッ素系溶奴に溶解する
ことを特徴とする。
溶解した含フッ素ポリマーは、不純物を分離した後、所
望の形状に再固化されて再利用される。
[発明の解決しようとする問題点] 上記従来法においては、膜を形成するフッ素ポリで−を
溶媒に溶出させるに当っては、まずフッ素ポリブーのイ
オン交換基を通常転化工程が面倒な酸フルオライド型又
はエステル型に転化しなければならない、更に、使用す
る溶媒は、上記した特定のパーフルオロ化合物の低分子
量ポリマーやパーフルオロケロシン等の高価なフッ素系
の溶剤であるばかりでなく、溶解するに当っては1通常
200℃以上の高温でのプロセスを必要とするものであ
る。
かくして、従来法は、方法としてプロセス的及びコスト
的に実用上問題を有するが、そればかりでなく、従来法
は、対象が単一の含フッ素ポリマーからなるイオン交換
膜であり、本発明で目的とする複層型イオン交換膜には
、そのまま十分には適用できない、即ち、従来法では複
層膜を構成する数種の含フッ素ポリマーは、それぞれ単
独のポリマーとして回収することは困難で、これら含フ
ッ素ポリマーは、混合溶液として回収できなく、これを
再利用する場合にはその用途等が制限され有利でない。
[問題を解決する為の手段] 本発明は、複層型イオン交換膜に適し、しかも上記した
従来法の問題点を有しない再生法を提供するものであり
、本発明の特徴は、カルボン酸基及び/又はスルホン酸
基をもつ二種以上の含フッ素ポリマーからなる複層型含
フッ素イオン交換膜を各フッ素ポリマーのイオン交換基
を酸型又はアルカリ金属塩型に転化した後、好ましくは
水溶性有機溶媒に浸漬して、各層を形成する含フッ素ポ
リマーに剥離せしめた後、水溶性有機溶媒により溶出さ
せ、該溶出液から含フッ素ポリマーを回収し、所望の形
状に再固化することにある。
かかる本発明によれば、使用する水溶性有機。
溶媒が安価なものであり、また含フッ素ポリで−のイオ
ン交換基の転化も容易に実施でき、且つ、含フッ素ポリ
マーの溶解も通常80℃以下の比較的低温で実施できる
ので、実用と有利である。更に1本発明によれば、含フ
ッ素ポリマーの転化するイオン交換基の種類及び水溶性
有機溶媒の種類により、複層膜を形成する含フッふポリ
マーの有機溶媒に対する溶解度を変えることにより、更
に好ましくは予め、水溶性有機溶媒に浸漬することによ
り、複層膜を形成する各含フッ素ポリマーを剥離するこ
とにより含フッ素ポリマーをそれぞれ独立して回収する
ことができるので、極めて有利である。
以下に本発明を更に詳しく説明すると、未発明で対象と
される複層型含フッ素イオン交換膜は、カルボン酸基及
び/又はスルホン酸基をもつ二種以上の含フッ素ポリマ
ー層から形成される。
かかる含フッ素ポリマーは、少なくとも二種のモノマー
4ポリマーからなり、好ましくは、使用下に以下の(イ
)及び(ロ)の重合単位をもつコポリマーである。
(()+CF2   CXX’+ 、−、:で、x、x’は−F、−C1,−H又は−CF
3であり、Aは一5o3M、又は−COOM(Mはチト
リウム又はカリウム)。
Yは次のものから選ばれるが、そこでz、z′は−Fま
たは炭素数1−10のパーフルオロアルキル基であり、
x、y、zはともに1〜10の整数を表す。
(−CF2+8.−0−(CF2+工。
(−0−CF2−CF、、 。
なお、上記含フッ素コポリマーを形成する(イ)/(ロ
)の組成比(モル比)は、これから形成されるイオン交
換膜の交換容量に関し。
該交換容量がカルボン酸基の場合、0.8〜2.0me
q/g乾燥樹脂、スルホン酸基の場合0.6〜1.8t
aeq/g乾燥樹脂になるように選ぶのが好ましい。
上記含フッ素ポリマーは、好ましくはパーフルオロポリ
マーが適切であり、その好ましい例は、CF2 = C
’F2 トCF2−CFOCF2CF (CF3 )O
CF2 CF2 S02 F ト17) ’:1ポリマ
ー、CF2= CF2トcFz 1lCFO(CF2 
)3〜5S02 F +!:(7):Iポリマー、CF
2mCF2トCF2ICFo(CF2)1〜.cooc
H3トのコポリマー、 CF2=CF2とCF2 =C
FOCF2C:F(OF 3 ) OCF 2 CF 
2 C00C:H3とのコポリマーが例示される。
複層型フッ素イオン交換膜は上記含フッ素ポリマーであ
って、通常イオン交換膜の種類及び/又は交換容量の大
きさを変えた二種以上の組合せを使用することによって
得られる。即ち、同じ種類のイオン交換基で容量を変え
た二種以上のポリマー、カルボン酸基をもっポリマーと
スルホン酸基をもつポリマーとの二種以上の組合せを使
用し、それぞれのポリマーのフィルムを好ましくは加熱
、圧着して積層することによって得られるし、また一種
類のポリマーフィルムの片面側のイオン交換基、例えば
スルホン酸基をカルボン酸基に転化することに製造され
る。
二種以上の含フッ素ポリマー層を有する複層膜の好まし
い例としては、第1のカルボン酸ポリマー層/@2のカ
ルボン酸ポリマー層からなる11り、第1のスルホン醜
ポリマー層/第2のスルホン酸ポリマー層からなる膜、
スルホン酸ポリマー層/カルボン酸ポリマー層からなる
膜、スルホン酸ポリマー層/第1のカルボン酸ポリマー
層/第2のカルボン酸ポリマー層からなる咬、第1のス
ルホン酸ポリマー層/第2のスルホン酸ポリマー層/カ
ルボン酸ポリマー層からなる膜が挙げられる。それぞれ
のポリマー層の厚みは1通常5〜500 grt+の間
で適宜採用されるが、電気抵抗の小さいスルホン層ポリ
マー層、或はイオン交換容量の大きいポリマー層の厚み
は、他の層に比べて好ましくは太きくする。
これらの複層型イオン交換膜は、必要により好ましくは
テトラフルオロエチレンなどの含フッ素ポリマーからな
る布、網などの織物、不織布、フィブリル又は金属製の
メツシュ、多孔体などで補強することができる。更に、
イオン交換膜は必要に応じてその一方、又は両方の表面
に、ガス及び液透過性の電極活性を有する粒子を含む多
孔質層(米国特許4224124 )又はガス及び液透
過性の電極活性を有しない粒子を含む多孔質層(米IM
特許2084588 )を設けたり、或は膜面を粗面化
するなどの手段が可能である。
かかる複層型イオン交換膜は各ポリマー層のイオン交換
基を酸型又はアルカリ金属塩型に転化される。
酸型への転化は、膜を無機酸又は有R酸の水溶液により
好ましくは極性の有機化合物の存在下に浸漬することに
より行なわれる。ここで無機酸としては、塩酸、硫酸、
硝酸、リン酸などが好ましく、有機酸としては、酢酸、
プロビオン酸τJパーフルオロ酢酸、p−)ルエンスル
ホン酸などが好ましい、これらの酸は、好ましくは0.
5〜90重:1r%の水溶液として使用される。また必
要に応じて使用される上記極性有機化合物としては、メ
タノール、エタノール、ブタノール、エチレングリコー
ル、ジメチルスルホキシド、酢酸、フェノールなどが使
用される。極性イ1機化合物は、酸水溶液中に好ましく
は5〜90屯量%添加される。膜の酸水溶液中の浸漬は
好ましくは温度10〜120℃にて、30分〜20時間
行なわれる。
イオン交換基のアルカリ金属塩型への転化に、既知の方
法で実施されるが、例えばリチウム塩への転化は、好ま
しくは上記酸型に転化したイオン交換基を、水酸化リチ
ウム、炭酸リチウムなどの可溶性のリチウム塩化合物の
水溶液に接触処理することにより行なわれる。リチウム
場化合物水溶液は、5〜90重量%の濃度で使用され、
膜を該水溶液中に好ましくは温度lO〜120℃にて3
0分〜20時間浸漬するなどの手段により行なわれ一〇
イオン交換膜のイオン交換基が酸型又はアルカリ金属塩
型に転化した後、本発明では水溶性有機溶媒に浸漬せし
められる。上記イオン交換基に転化しない膜の含フッ素
ポリブーは、はとんど溶解することがない。
本発明で使用される有機溶媒としては、極性の高い、即
ち、大きい双極子モーメントをイ■し、プロトンと結合
する能力を有する溶媒が挙げられる。この溶媒は、水中
に少なくとも5重量%、好ましくは少なくとも50重量
%可溶であるが、はとんどの場合は、あらゆる割合で水
と相溶性である。そしてかかる有機溶媒としては、アル
コール、多価アルコール、セロソルブの如き分子内に水
斂基を含有する溶媒が、特に優れた溶解性を示すので好
ましい。アルコールとしては、メタノール、エタノール
、n−若しくはイソ−プロパツール、n−イソ−若しく
はt−ブタノールなどの好ましくは炭素数4以下の炭化
水素アルコール、エチレングリコール プロビレ/グリ
コール、グ盛リン、セロソルブなとの好ましい例として
挙げられる。その池水発明では、ジメチルホルムアミド
、ジメチルアセトアミドなどの有機アSド、ジメチルス
ルホオキシド、アセトン又はヘキサフルオロアセトンな
ども使用できる。好ましくは、沸点150°C以Fのも
のが、溶液からポリマーを回収する場合に好適である。
また、有機溶媒は必要により二種以りを混合して使用し
てもよく、また必要により水との混合媒体と使用しても
よい。
IIりを有Ip!、溶奴に溶解するにあたって、)1分
の所定量を溶媒中に浸漬し、必要に応じて撹拌するなど
の既知の溶解を促進することにより行なわれる。使用す
る含フッ素重合体の形状は、フィルム、シート状などの
形態でもよいが、溶解を(Jl’進させるためには好ま
しくは20メツシュ以上の粒状物であることもできる。
溶解に際しての温度は、高温であるほど溶解促進上好ま
しく、通糸は25〜150℃にて行われるが、溶解を促
進させるため1〜10気圧の加圧下で実施することもで
きる。
かくすることにより、複層型イオン交換膜を構成する含
)・ン素ポリマー層は有機溶媒に溶解し、溶出される。
ここで特徴的なことは本発明では、上記したように複層
膜を構成する含フッ素ポリマー層、イオン交換基の種類
及び/又は交換容量が異なる為、同じ水溶性有機溶媒を
使用しても、各含フッ素ポリマー層は、それぞれ異なっ
た溶解度を有する為、はとんど選択的に有機溶媒中に溶
出、回収することができる。凹ち、スルホン酸基をもつ
ポリマーとカルボン酸基をもつポリマーとは異なる溶解
度を有し、また同じイオン交換基でも、大きい交換容量
をもったポリマーは、より大きい溶解度を有する。
膜を構成する各含フッ素ポリマー層を更に選択的に有機
溶媒に溶出回収する為には、それぞれ溶解性の異なる複
数の*機りa奴を使用し、各含フッ素ポリマーを段階的
に異なった有機溶媒に溶出させることができる。また、
咬を有機溶媒に浸漬させる際の条件、例えば温度、圧力
等の条件を変えて達成することができ、こh ttpM
じ有機溶媒を使用したときはもちろん、異、なる溶媒を
使用したときにも適用できる。更に膜を形成する含フッ
素ポリグーの一部のみのイオン交換基の形態を、本発明
の酸型又はリチウム塩型に転化して、これを有機溶媒に
溶解した後、別の含フッ素ポリブーのイオン交換基を順
次転化して溶解することができる。これは膜の片面のみ
のフン素ポリマー層について行ない、次いで多面のポリ
マー層について行なうなど容易に実施できる。
各含フッ素ポリマー層を選択的に溶出1回収する別の方
法として、複層膜を形成する各ポリマー層を予め!A離
することができる0本発明では複層膜を好ましくはイオ
ン交換基を上記転化した後に水溶性有機溶媒に浸漬する
ことにより、各含フッ素ポリマー層は容易に剥離するこ
とが見出された。これは、各ポリマー層は、イオン交換
基の種類、交換容量或いはポリマーの構造か異なること
により、それぞれの水溶性有機春−に対する?lff1
l滑度が異なることに基因するものと思われる。
ここで、使用される水溶性有機溶媒としては、同じ有機
溶媒と同じのが使用でき、その濃度、浸漬条件も同じ範
囲のものが使用できるが、浸漬時間は、各層の′A港が
起きれば十分であり1通常1−100分である。
本発明で対象とされるイオン膜の表面に上記したように
、電極活性をもつ粒子の多孔層又は゛−シ極活性のない
粒子の多孔層が付着、結合されている場合には、通常こ
れら粒子は有機溶媒に溶解することがないので、そのま
ま適用してもこれら粒子は、有機溶媒から分離すること
ができる。しかし、場合により上記多孔層を膜面から適
宜の方法で除去してから1本発明に適用することができ
る。
上記のようにして、膜を形成する各含フッ素ポリマーを
溶解した増機溶媒の溶液が得られるが、かかる溶液から
ポリマーを回収するには、適宜の方法が採用できる。即
ち、ポリマー溶液はそのまま什−ン交換基を有する含フ
ッ素ポリグーの溶液として1種々の用途に再固化して使
用できる0例えば、該溶液を注型するか、又は石綿(ア
スベスト)又はポリテトラフル多孔体に該溶液を含浸さ
せることにより、電解用、透析用又は燃料電池用等の任
意の形状のフィルムがつくられる。更には1、既存の含
フー2素ポリャーノフィルムのピンホール等の修復、適
宜の物品に含フッ素ポリグーの被覆すること等に使用さ
れる。
含フッ素ポリマー溶液から、ポリマーを回収する別の方
法としては、該溶液中に、ポリで−の貧溶媒を添加し、
ポリマーを沈析1分離することもできる。フッ素ポリマ
ーのかかる貧溶媒としては、好ましくは四塩化炭素、ト
リクロロモノフルオロメタンなどのハロゲン化炭化水素
系溶媒、ヘキサン、ヘプタンなどの炭化水素系溶媒など
が使用され、その手段としてはポリマー溶液から沈析に
よりポリマーを回収する公知の方法が採用できる。この
ようにして、沈析。
分離された含フッ素ポ」レーは、新1.いポリブーと同
様、電解用、透析用、燃t’を電池用等の1112はも
ちろん、イオン交換基をもつ含フッ素ポリブーとしての
全ての用途に使用できる。
以下に本発明を更に具体的に示す為に、実施例を挙げる
が1本発明はこれらの実施例によって限定されるもので
はなく、本発明の範囲内で種々変更が可能である。
実施例=1 C2F4とCF21ICFO(CF2):I C:00
CH3を共重合して、イオン交換容量1.8meq/g
と1.25meq/Hの2種類のパーフルオロカルボン
酸型ポリマーを合成し、230℃でホットプレスして、
それぞれ厚す200 μと30μのフィルムにLkA’
!シた。次にこれらのフィルムを改ね合せ、200℃で
プレス積層した後、90 ’Cの25%NaOH水溶液
に16時間浸漬して加水分解した。
かかる陽イオン交換膜を= RuO2/Ti エクスパ
ンドメタル製陽極及び活性Ni/F eエクスパンドメ
タル製陰極を備えたクロロアルカリiEM槽に取り利け
、陽極室には5NのNa(、Lム溶液を、陰極室には水
を供給しつつ、電流密度30A/da2、液温90°C
で。30日間電解を行なった。その結果、35%NaO
Hが電流効率84.6%、摺電圧3.08Vで得られた
電解終T後、槽から取り外した膜を12%HC1水溶液
中で攪拌、ろ過後水洗して、イオン交換基を酸型に変換
した0次いでこれをアセトン中に浸漬したところ2枚の
膜にそれぞれ剥離した。このうち厚い方、すなわちイオ
ン交換容量が1.8+aeq/Hの膜だけを残して3時
間攪拌したのち、膜は完全に溶解し、清澄で活性のある
溶液か得られた。
次に薄い方、すなわちイオン交換容IBIH1,25I
Ileq/gの膜をLiOH水溶液に浸漬してLi塩型
とし、ろ過、水洗後、沸騰メタノール中で1液攪拌した
ら膜は完全に溶解した。
次にそれぞれの溶液をCC1,に加えポリマーを沈殿さ
せ回収した0回収したポリマーをメタノールを用いて再
エステル化した後、1.8meq/gと1.25meq
/gのポリマーを再び230℃でブーレスし、200ル
と30終のフィルムに成型し次いで200℃で攪拌した
後、同様に加水分解した。再生ポリマーを用゛いた該再
生膜で再び電解を行なったところ、電流効−494.5
%、摺電圧3.06Vで性能に於て再現していることが
確認された。
実施例−2 C7F4とCF2−CFOCF2 CFOCF2CF2
507 Fを甚平CF3 合してイオン交換容i1.1meq/gのパーフロロス
ルホン酸型ポリマーを合成した。これをホットプレス成
型して厚さ200用のフィルムとした後、厚さ30JL
でイオン交換容量が1.25meq/gのパーフロロカ
ルボン酸型ポリマーと毛ね合せ、2130℃でプレス積
層し一体化した。このフィルムを加水分解してイオン交
換基とし、実施例−1と同様の条件で電解を行なった結
果、35%のNaOHが、電流効率94.8%、4e電
圧3.15V テ得られた。
次に、該電解使用膜のイオン交換基を酸型に転換してエ
タノール中に浸漬したところ、それぞれ2枚の膜に剥離
した。スルホン酸型膜だけを残して60°Cに攪拌した
ら、膜は完全に溶解し、粘性のある溶液となった。残っ
たカルボン酸型膜は、実施例−1の方法で溶解し、回収
した。
実施例−3 イオン交換容量が1.44meq/gであるパーフロロ
カルボン酸型ポリマーを新たに合成し、次のような3種
類のフィルムを調製した。
A;イオン交換容量が1.25meq/Hのカルボン酸
型ポリマーで、厚さが20ルのフィルムC:イオン交換
容量が1.44meq/Hのカルボン酸型ポリマーで、
厚さが180 、のフィルムC:イオン交換容量が1.
1meq/gのカルボン酸型ポリマーで、厚さが30鉢
のフィルム続イて、(A)のフィルムの上に(B)のフ
ィルムを載せ、その上に(C)のフィルムを載せてホン
トプレス積層し、一体化して1枚のフィルムとした。こ
のフィルムを加水分解することによりイオン交換膜とし
、実施例−1と同様の条件で電解を行なった。その結果
35%のNaOHが、電流効率96.1%、摺電圧3.
19Vで得られた。
電解終了後、かかるイオン交換膜を60°Cのエタノー
ル中に侵情したところ、スルホン酸膜が剥離してきた。
2層のカルボン醜膜を取り除いてスルホン酸膜だけを残
し、これをエタノール中でl夜攪拌し続けたら、膜は完
全に溶解して粘性のある溶液となっていた。
次に2層のカルボン酸IIりを酸型に変換し、アセトン
中に浸漬したら、2枚の■りに剥離した。
このうち、イオン交換容量が1.44meq/ gであ
る厚い方の11+2を残し、50°Cで1夜纜拌したら
、膜は完全に溶解していた。最後に残ったイオン交換容
量1.25meq/Hのカルボン酸11りは、実施例−
1と同様の方法で溶解させた。
実施例−4 A;厚さ20終のSiCの多孔体 B;イオン交換容量が1.25meq/Hのカルボン酸
沈(ポリマーで、n41が20路のフィルムC;イオン
交換容量が1.44meq/Hのカルボン酸型ポリマー
で、厚さが180用のフィルムC;イオン交換容量が1
.Imeq/gのスルホン酸型ポリマーで、厚さが30
pLのフィルムE:厚さ20牌のZrQ□の多孔体 以上の5層をA、B、C,D、Eの順序で重ね合せてホ
ットプレス積層し、一体化して5層構造を有する1枚の
フィルムに成型した。これを加水分解してイオン交換膜
とし、実施例−1と同様の条件で電解を行なった。その
結果、35%のNaOHが、電流効498.0%、摺電
圧2.88V テイリられた。
・七解終了後、膜表面の無機多孔層を樹脂製のブラシ等
で除去してから、実施例−3の回収操作を施し、それぞ
れ3種類の溶液として、各ポリマー成分を回収した。こ
れらの溶液のうち、イオン交換容量が1.25+weq
/gのカルボン酸型ポリマーのメタノール溶液と、イオ
ン交換容量が1.1meq/gのスルホン酸型ポリマー
のエタノール溶液には、それぞれ除去しきれか+もだ%
 yq +et・粒子が浮遊していた。これらの溶液も
、8000rp1で1時間程度遠心分#操作を加えるこ
とにより、無機粒子はほぼ完全に除去され、清澄な溶液
とすることができた。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)カルボン酸基及び/又はスルホン酸基をもつ二種
    以上の含フッ素ポリマー層からなる複層型含フッ素イオ
    ン交換膜を、各含フッ素ポリマー層のイオン交換基を酸
    型又はアルカリ金属塩型に転化した後、水溶性有機溶媒
    中に浸漬して各含フッ素ポリマーを溶出させ、該溶出液
    から含フッ素ポリマーを回収し、所望の形状に再固化す
    ることを特徴とする複層型含フッ素イオン交換膜の再生
    方法。
  2. (2)複層型含フッ素イオン交換膜を、水溶性有機溶媒
    中に浸漬して、各含フッ素ポリマー層に予め剥離せしめ
    る請求の範囲(1)の方法。
  3. (3)含フッ素ポリマーのイオン交換容量が、カルボン
    酸基の場合、0.8meq/g乾燥樹脂以上、スルホン
    酸基の場合、0.6meq/g乾燥樹脂以上である請求
    の範囲(1)又は(2)の方法。
  4. (4)水溶性有機溶媒が、沸点150℃以下の、水中に
    少なくとも5重量以上可溶である有機溶媒である請求の
    範囲(1)〜(3)の方法。
JP59217348A 1984-10-18 1984-10-18 複層型含フツ素イオン交換膜の再生方法 Granted JPS6197336A (ja)

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