JPS6239089Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は主としてアルカリ金属ハロゲン化物水
溶液、特に塩化アルカリ塩水溶液の電解槽に関す
る。更に詳しくは水銀電解槽から転換された水平
型陽イオン交換膜電解槽の改良に関する。

水銀法電解槽は比較的高濃度の水酸化ナトリウ
ム溶液が得られるので、これまで広く利用されて
きた。しかし乍ら陰極に用いる水銀が環境汚染物
質であるため、近い将来休止されるべき運命にあ
る。ところで従来広く活用されてきた水銀法電解
槽及び附帯装置を悉くスクラツプ化することは経
済的、産業政策的見地から得策とはいえず、一方
当業界側にとつても極めて深刻な問題である。か
かる状況下において、水銀法電解槽及び附帯設備
をスクラツプ化することなく、他の安全な電解方
法に転換することは極めて望ましいことである。

かかる見地から、本出願人は鋭意研究を進め、
水銀法電解槽を有利に陽イオン交換膜法電解槽に
転換し得る技術を開発し、先に特許出願を行つた
（特願昭57−131377号）。

しかし、引き続いて研究する過程で、水銀法電
解槽の底板には、腐食あるいは水銀によるエロー
ジヨン、電極の短絡等による凹凸面、クラツクや
ピンホールあるいは梨地肌等の非平滑表面が存在
し、陽イオン交換膜法電解槽の陰極板として転用
して電解する場合、上記非平滑面に陽イオン交換
膜が接触摩擦することにより、破損する現象が確
認された。

本考案はかかる事情に鑑み、これら問題を解決
した電解槽を提供するものである。

即ち、本考案は実質的に水平に張設された陽イ
オン交換膜により上部の陽極室と下部の陰極室と
に区画され、前記陽極室は実質的に水平な陽極を
有し、蓋体と該陽極を囲むように周設された陽極
室側壁と該陽イオン交換膜の上面とにより包囲形
成され、且つ陽極液の導入口及び排出口並に陽極
ガス排出口とを具備してなり、前記陰極室は水銀
法電解槽の底板からなる陰極板と、該陰極板を囲
むように周設された陰極室側壁と該陽イオン交換
膜の下面とにより包囲形成され、且つ前記陰極板
と前記陽イオン交換膜とが対峙する該陰極板の表
面が平滑化処理表面から構成される電解槽を内容
とするものである。

以下、本考案の実施態様を示す図面に基づいて
本考案を説明する。以下の説明において、アルカ
リ金属ハロゲン化物の代表例として最も一般的な
塩化ナトリウムを、またその電解生成物として苛
性ソーダを便宜上用いるが、これらに本考案を限
定する意図ではなく、他の無機塩水溶液や水電解
等にも適用できることは勿論である。

第１図は本考案電解槽の一部切欠き正面図、第
２図は側面断面図である。

第１図及び第２図において、本考案電解槽は幅
に対し長さの大なる、好ましくは数倍の長さを有
する長方形の陽極室１とその直下に位置する陰極
室２とより構成され、陽極室１と陰極室２とは実
質的に水平に張設された陽イオン交換膜３によつ
て区画されている。ここで「実質的に水平」と
は、必要に応じて若干傾斜させた場合（例えば2/
１０程度までの勾配を付与した場合）をも包含す
る。

本考案に好適な陽イオン交換膜としては、例え
ば、陽イオン交換基を有するパーフルオロカーボ
ン重合体からなる膜を拳げることができる。スル
ホン酸基を交換基とするパーフルオロカーボン重
合体よりなる膜は、米国のイー・アイ・デユポ
ン・デ・ニモアス・アンド・カンパニー（E.I.Du
Pont de Nemours ＆ Company）より商品名
「ナフイオン」として市販されており、その化学
構造は次式に示す通りである。

かかる陽イオン交換膜の好適な当量重量は1000
乃至2000、好ましくは1100乃至1500であり、ここ
に当量重量とは、交換基当量当りの乾燥膜の重量
ｇである。また、上記交換膜のスルホン酸基の一
部又は全部をカルボン酸基に置換した陽イオン交
換膜その他慣用されている陽イオン交換膜も本発
明に適用することができる。これらの陽イオン交
換膜は透水率が著しく小さく、水力学的流れを通
さずに水分子３〜４個を有するナトリウムイオン
を通すのみである。

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てお
り、陽極６は蓋体４に立設された陽極懸垂装置７
で懸垂され、各陽極６は陽極ブスバー８で互いに
連結されている。蓋体４は陽極導電棒９を挿通す
る穴１０を有し、該穴１０はシート１１により気
密にシールされている。陽極導電棒９の下端には
陽極板１２が取付けられており、かくして陽極板
１２は陽極懸垂装置７に連結されているため、陽
極懸垂装置７を操作することにより上下に昇降調
節可能で、陽イオン交換膜３に接触するよう配置
することができる。もつとも陽極は蓋体に立設さ
れた陽極懸垂装置から懸垂される場合に限られ
ず、他の方法により懸垂支持されていても差し支
えない。さらに陽極室は少なくとも１個の陽極液
導入口１３を有しており、これらは該蓋体４また
は陽極室側壁５に設けることができる。一方、陽
極液排出口１４は少なくとも１個設けられ、これ
らは該側壁５に設けることができる。また、該蓋
体４または該側壁５の適宜箇処に陽極ガス（塩素
ガス）排出口１５を備えている。

上記の陽極室１を構成する蓋体４および陽極室
側壁５としては、水銀法電解槽を構成する蓋体及
び陽極室側壁を転用すれば良いが、このほか塩素
に耐える材質であれば特に制限はなく好適に使用
することができる。例えばチタン及びチタン合金
等の耐塩素金属あるいは、弗素系ポリマー、硬質
ゴム等を使用することができる。さらに上記金
属、弗素系ポリマーまたは硬質ゴム等をライニン
グした鉄を用いることもできる。

陽極反応を行なう陽極板１２はグラフアイト陽
極を用いることもできるが、チタンあるいはタン
タルのような金属に、例えば白金族金属あるいは
酸化白金属金属又はそれらの混合物を有する被覆
を施した不溶性陽極が好ましい。もちろん水銀法
電解槽に用いられている陽極板を同じ寸法、同じ
形状のままで使用すると経済的である。

次いで陰極室２は陽イオン交換膜３の下表面と
水銀法電解槽の底板からなり、陰極液と接する面
に平滑化処理表面２４を有する陰極板１６と、該
陰極板の縁に沿つて該陰極板を囲むように立設さ
れた陰極室側壁１７とにより画成される。陰極室
側壁１７は剛性を有する枠縁のごときもので構成
することができるし、弾性を有するゴム、プラス
チツク等のパツキング状のもので構成することも
可能である。さらに第３図に示すように陽極室側
壁の下部フランジ部に対峙する陰極板の周縁部を
残して、陽イオン交換膜を介して該陽極と向い合
う部分を削り取り、残つた陰極板の周縁部を側壁
として構成することも可能である。第４図に示す
如く、陰極板１６の周縁に薄層のパツキング２３
を設置し、該陽極板１２を該陽極室を構成する側
壁下部のフランジ面より上方に固定し、該陽イオ
ン交換膜３の可撓性（フレキシビリテイ）を利用
して該陽イオン交換膜を陽極室側壁内面に沿わせ
て張装して陰極室を形成させることもできる。

陰極室側壁１７の構成材料としては、上記した
材料の他に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はなく、鉄、ステンレスス
チール、ニツケル、ニツ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、プラスチツク等の材料も使用することができ
る。かかる材料としては、たとえば天然ゴム、ブ
チルゴム、エチレンプロピレンゴム（EPR）な
どのゴム系材料、ポリ（四フツ化エチレン）、ポ
リ（四フツ化エチレン−六フツ化プロピレン）、
ポリ（エチレン−四フツ化エチレン）などのフツ
素系ポリマー材料、ポリ塩化ビニル、強化プラス
チツク（FRP）などが例示される。

本考案に使用される陰極板１６は水銀法電解槽
の底板からなり、その表面の陰極液と接する面に
平滑化処理表面２４が設けられている。平滑化処
理表面は、水銀法電解槽の底板の表面を削る等の
機械加工により平滑にすることも出来るが、耐ア
ルカリ金属、例えばニツケル，コバルト，クロ
ム，モリブデン，タングステン，白金族金属，銀
等のメツキによつて平滑表面を得ることが出来
る。更に、ニツケル、ニツケル合金、オーステナ
イト系ステンレス鋼、フエライト系ステンレス鋼
等の薄板の圧着、部分溶接によるライニング等に
より平滑な表面を得ることも出来る。メツキは例
えば電気メツキ、無電解メツキ等の公知の技術を
用いることが出来る。メツキ層の厚みは用いる底
板の表面状態にもよるが、概ね10μｍ以上とする
のが好ましい。更に、これらの表面に過電圧低下
処理層を設けるのが望ましい。過電圧低下処理は
公知の技術を用いることが出来る。例えばニツケ
ル，コバルト，クロム，モリブデン，タングステ
ン，白金族金属，銀、これらの合金及びこれらの
混合物のプラズマ溶射により目的を達成すること
が出来る。また、凹凸やクラツクが極端に大きい
場合には、研磨して或る程度平坦にした後、メツ
キ等の平滑化処理を施すのが好ましい。

陰極液導入口１９及び陰極ガスと陰極液との混
相液の排出口２０は陰極室２内に陰極液と陰極ガ
スとの混相液の流れを生じせしめることが出来れ
ば良い。従つて、該混相液の流れを長さ方向、幅
方向のいずれに形成せしめても良いが、後者の方
が△ｐを減少させ、Ｇ／Ｌ（単位陰極液中に含有
される陰極ガスの比率）を小さくすることがで
き、その結果陰極板や蓋体の補強も不要で、陰極
液導入口と混相液排出口の△CV（槽電圧）を小
さくすることができる点で望ましい。また均一な
混相液の流れを確保することが好ましくこの目的
のためにスリツト状の導入口は好ましい一態様で
ある。また、第３図及び第４図に示した如く、陰
極板１６の端部に夫々導入口１９、排出口２０を
設けることもできる。

第５図は、本考案により水銀法電解槽を陽イオ
ン交換膜電解槽に転換した水平陽イオン交換膜電
解槽の断面図及び陰極液循環系統を示す概略図で
ある。

第１図及び第５図に基づいて説明すると、陽極
室１は蓋体４と、該蓋体４から懸垂された複数の
陽極６および陽極板１２を包囲するように立設さ
れた陽極室側壁５と、陽極室側壁５の下部フラン
ジと陰極室側壁１７との間に挾持張設された陽イ
オン交換膜３の上表面とにより画成されている。
陽極６は蓋体４に立設された陽極懸垂装置７で懸
垂され、各陽極はブスバー８で相互に連結されて
いる。また陽極室１は陽極液導入口１３、同排出
口１４および陽極ガス排出口１５が設けられてい
る。

一方、陰極室２は水銀法電解槽の底板をその
まゝ転用し、陰極液との接触面に平滑化処理表面
２４を有する実質的に平坦な表面を有する陰極板
１６と、該陰極板の周縁上に設置された陰極室側
壁１７と、前記陽イオン交換膜３の下表面とによ
り画成されている。陰極板１６は陰極ブスバー１
８と連結されている。陰極室２は陰極液導入口１
９および陰極液と陰極ガスとの混相液排出口２０
が設けられている。

飽和塩水は、陽極液導入口１３より陽極室１に
供給され、電気分解を受けて発生した塩素ガスは
陽極ガス排出口１５より取り出し、淡塩水は陽極
液排出口から排出される。

陰極液は陰極液導入口１９より供給され、陰極
室２で発生する水素ガスとの混相流となつて混相
液排出口２０より取り出され、水素ガスと陰極液
とは分離器２１で分離される。ガスを分離した実
質的にガスを含まない陰極液はポンプ２２により
該陰極液導入口１９から陰極室２へ循環導入され
る。分離器２１及びポンプ２２は複数の電解槽に
対して１個でもよいし各電解槽毎に設けても良
い。

電流は陽極ブスバー８より供給され、陰極室２
の底板１６を通り、陰極ブスバー１８より取り出
される。

陽極室１では式、 なる反応が起こり、陽極室１のナトリウムイオン
は陽イオン交換膜３を通つて陰極室２に達する。
一方、陰極室２では式、 なる反応が生起し、水素ガスを発生すると共に、
陽極室１より陽イオン交換膜３を通過して移動し
て来たナトリウムイオンを受けて苛性ソーダを生
成する。

陽イオン交換膜を使用した電解方法としては、
縦型セルが一般的で、この場合、陰極で発生した
水素ガスを素早く陰極の背後（陽イオン交換膜と
反対の方向）へ抜くことによつて陰極液抵抗を減
少せしめんがため、通常、エキスパンドメタル、
パンチドメタル、メタルネツト等の多孔性陰極が
用いられる。

しかしながら横型セル即ち、水平型電解槽の場
合、比重の小さい水素ガスを陰極の背面、即ち水
平方向に延設された陰極の下へ抜くことは不可能
である。

従つて、本考案の水平型電解槽においては、陽
イオン交換膜３の下面と、実質的に平坦な表面を
有する陰極板１６表面とを接近して配置して構成
される陰極室内に陰極液を供給し、陰極室内を満
たして貫流する陰極液と陰極ガスとの混相流を形
成することによつて、陽イオン交換膜３の下面を
該流れで充分に潤し電解反応を円滑に進行せしめ
ると共に、陽イオン交換膜３と陰極板１６との間
に生成した苛性ソーダと水素ガスとを、生成後直
ちにこの流れに巻き込んで陰極室２の外へ排出す
る。

尚陰極室内へ供給され、その中を貫流する陰極
液は水素ガスと生成した苛性ソーダを伴なつて陰
極室外へ運ばれ、分離器２１によつて水素ガスを
分離した後、再び陰極液導入口１９へ少なくとも
一部を還流せしめる循環液とすれば、苛性ソーダ
の濃度を適宜に増大することも、また途中で水を
以つて稀釈し濃度を調整することもでき有利であ
る。

叙上の通り、本考案によれば水銀法電解槽を容
易に陽イオン交換膜法電解槽に転換でき、電解槽
のみならずブスバー、整流器、淡塩水処理設備、
塩水系設備等殆ど全ての現存設備をスクラツプ化
することなく、そのまゝ転用できるので水銀法電
解槽の転換を頗る経済的に行なうことができる。
また同時に吸着Hgの製品への混入、環境汚染へ
の懸念等の問題も一拳に解決されるという効果も
期待でき、産業上の有用性は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本考案電解槽の実施態様を
示す夫々一部切欠き正面図、側面断面図、第３図
及び第４図は夫々他の実施態様を示す側面断面
図、第５図は第２図に示した電解槽を用いて電解
を行う場合の陰極液循環系統を示す概略図であ
る。 １……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……陽極懸垂装置、８……陽極ブスバ
ー、９……陽極導電棒、１０……穴、１１……シ
ート、１２……陽極板、１３……陽極液導入口、
１４……陽極液排出口、１５……陽極ガス排出
口、１６……陰極板、１７……陰極室側壁、１８
……陰極ブスバー、１９……陰極液導入口、２０
……陰極混相液排出口、２１……分離器、２２…
…ポンプ、２３……パツキング、２４……平滑化
処理表面。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ 実質的に水平に張設された陽イオン交換膜に
   より上部の陽極室と下部の陰極室とに区画さ
   れ、前記陽極室は実質的に水平な陽極を有し、
   蓋体と該陽極を囲むように周設された陽極室側
   壁と該陽イオン交換膜の上面とにより包囲形成
   され、且つ陽極液の導入口及び排出口並に陽極
   ガス排出口とを具備してなり、前記陰極室は水
   銀法電解槽の底板からなる陰極板と、該陰極板
   を囲むように周設された陰極室側壁と該陽イオ
   ン交換膜の下面とにより包囲形成され、且つ前
   記陰極板と前記陽イオン交換膜とが対峙する該
   陰極板の表面が平滑化処理表面から構成される
   電解槽。 ２ 平滑化処理表面が耐アルカリ金属メツキ層か
   らなる実用新案登録請求の範囲第１項記載の電
   解槽。 ３ 耐アルカリ金属メツキ層がニツケル，コバル
   ト，クロム，モリブデン，タングステン，白金
   族金属，銀から選ばれる実用新案登録請求の範
   囲第２項記載の電解槽。 ４ 平滑化処理表面が耐アルカリ導電性金属薄板
   からなる実用新案登録請求の範囲第１項記載の
   電解槽。 ５ 平滑化処理表面が機械加工処理されてなる実
   用新案登録請求の範囲第１項記載の電解槽。 ６ 平滑化処理表面の上に水素過電圧低下処理層
   を設けてなる実用新案登録請求の範囲第１項乃
   至第５項のいずれかの各項に記載の電解槽。 ７ 水素過電圧低過処理層がニツケル，コバル
   ト，クロム，モリブデン，タングステン，白金
   族金属，銀、これらの合金及びこれらの混合物
   から選ばれる実用新案登録請求の範囲第６項記
   載の電解槽。 ８ 陰極板の長辺の１方側又はその上部の側壁に
   陰極液導入口を、対向せる他の側又はその上部
   の側壁に混相液の排出口を設けた実用新案登録
   請求の範囲第１項記載の電解槽。 ９ 排出された混相液を気液分離する手段及び陰
   極ガスを分離した陰極液を陰極液導入口へ循環
   させる手段を備えた実用新案登録請求の範囲第
   １項記載の電解槽。