TWI822944B - 室框元件、電解槽及電滲析槽 - Google Patents

室框元件、電解槽及電滲析槽 Download PDF

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Abstract

相較於習知，電壓的降下量較小、無效電力的消耗較少、而且無金屬腐蝕的本發明之室框元件係電解槽用或電滲析槽用的室框元件(14)，其具備：袋體(141)；被收容在袋體(141)的內部空間的框(142)；及形成在比袋體(141)中收容前述框的部分更為外側，且可安裝配管的入口(143)及出口(144)。

Description

室框元件、電解槽及電滲析槽
本發明係關於電解槽用的室框元件、以及使用該室框元件的電解槽及電滲析槽。
在鹽的分離製程、氫氧化鋰的製造製程、有機電解製程、次氯酸的製造製程等中，係使用三室電解等。三室電解槽的基本構造係具備：陽極室、中間室、及陰極室，且具備有在陽極室收容陽極，在陰極室收容陰極，陽極室與中間室之間被隔成可藉由陰離子交換膜來通過陰離子，陰極室與中間室之間被隔成可藉由陽離子交換膜來通過陽離子的構造，作為單位晶胞(專利文獻1)。
如上所示之三室電解槽的習知的中間室，一般而言包含金屬製的框(框架)，在該框分別設有液體的入口、出口，電解液可透過該入口、出口而流通至框內的元件。 除了三室電解槽之外，係有具備：設有陽極的陽極室、設有陰極的陰極室、及設在該陽極室與該陰極室之間之作為隔膜的離子交換膜的二室電解槽。此外，以該二室電解槽之一而言，亦有使用使在膜的其中一面設置陽極且在另一面設置陰極的雙極性電極、設在該雙極性電極的陽極側的陽極室、及設在上述雙極性電極的陰極側的陰極室的單位晶胞，在陽極室與陰極室之間設有作為隔膜的離子交換膜而連續配列的二室電解槽的情形。此外，依電解製程，亦有在上述雙極性電極的陽極側設有電解室且在陰極側設有電解室之未具有隔膜的(無隔膜的)單室電解槽。在該等單室電解槽或二室電解槽中，亦在電解室(包含陽極室或陰極室或中間室而統稱為電解室)係使用金屬製的框。 此外，一部分亦有由藉由樹脂製的框而非金屬製所形成的元件所成的電解室。 此外，在進行電滲析的電滲析槽中，亦使用金屬製的框。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2015-182008號公報
(發明所欲解決之問題)
習知的電解槽的電解室由於在設在該框的入口、出口連接歧管等，框係在其厚度，亦即若為三室電解槽的中間室，係在朝向陽極室或陰極室的電極的方向的尺寸，必須要有一定程度的厚度。該電解室的框的厚度在電解處理時，使施加於鄰接該電解室的陽極室的陽極、與鄰接該電解室的陰極室的陰極之間的電壓的降下產生。電壓的降下量係與電解時的消耗電力直接相關者。此外，電壓的降下係使電解室室內的電解液發熱，因此由於電壓的降下量愈多愈為冷卻，因而會多餘地消耗能量。因此，電壓降係期望儘可能抑制，惟因上述框的厚度，在降下抑制有其限度。
此外，習知的電解槽的電解室的框為金屬製，因此電解時，係在與接地之間發生漏電流，且發生金屬腐蝕。因此，以金屬腐蝕的對策而言，犧牲電極以電性連接於電解室的框或熔接在該框的金屬外殼的方式設在電解槽。但是，犧牲電極雖然必須定期替換，但是由於熔接於電解槽的設備，因此無法輕易替換，需要其作業成本，且需要犧牲電極其本身的材料成本。
若電解室由樹脂的元件而成，雖然並沒有因漏電流所致之電解室的金屬腐蝕的問題，但是關於電解室與外部的電解液的流通，係透過設在電解室的內部的歧管來進行。因此，為了形成歧管，在配列複數單位晶胞的電解槽中，必須要有貫穿所有元件的流路。此外，在電解室的內部設有歧管的構造的元件中，一般而言與相鄰元件的距離近，因此，由於旁路電流大，因此無效電力的消耗大。
本發明係鑑於上述課題而完成者，目的在提供相較於習知，電壓的降下量較小、無效電力的消耗較少的室框元件、以及具備該元件的電解槽及電滲析槽。 (解決問題之技術手段)
本發明之第1態樣係一種室框元件，其係電解槽用或電滲析槽用的室框元件，其特徵為： 具備：袋體；被收容在該袋體的內部空間的框；及形成在比前述袋體中收容前述框的部分更為外側，且可安裝配管的入口及出口。
在本發明之第1態樣中，較佳為前述室框元件由樹脂所成。 此外，在本發明之第1態樣中，較佳為前述框具有：將由前述入口所流入的液體通至框的內側，且將框的內側的液體通至前述出口的流路。該流路係可形成為通至前述框的外側與內側的溝或管、或前述框藉由多孔質材料所形成。 此外，在本發明之第1態樣中，較佳為三室電解用的室框元件。
本發明之第2態樣係具備第1態樣的室框元件的電解槽。 本發明之第3態樣係具備第1態樣的室框元件的電滲析槽。 (發明之效果)
藉由本發明，可使中間室變薄，且可減少電解時的電壓降量。此外，由於並非為在電解室的內部設有歧管者，因此旁路電流小，且無效電力的消耗少。
以下參照圖示，說明本發明之室框元件及電解槽以及電滲析槽的實施形態。其中，在以下說明中，係說明被使用在三室電解槽的中間室的室框元件，作為本發明之室框元件的代表例，此外，說明三室電解槽，作為本發明之電解槽的代表例，惟本發明之室框元件並非為限定於使用在三室電解槽的中間室者，亦可同樣地使用在二室電解槽的陽極室或陰極室、單室電解槽的電解室。此外，本發明之電解槽並非為限定於三室電解槽者，亦可形成為使用本發明之室框元件的二室電解槽或單室電解槽。此外，本發明之室框元件係可使用在電滲析槽，而非侷限於使用在電解槽者。
圖1係使用本發明之一實施形態之室框元件的三室電解槽1的模式剖面圖。在圖1中，三室電解槽1係具備：收容有陽極2的陽極室3、中間室4、及收容有陰極5的陰極室6。陽極室3與中間室4之間被隔成可藉由陰離子交換膜7來通過陰離子。中間室4與陰極室5之間被隔成可藉由陽離子交換膜8來通過陽離子。
若以硫酸鈉之例說明使用該三室電解槽1之電解之一例，將硫酸鈉水溶液作為電解液而導入至中間室4，且若在陽極2與陰極5之間通電而進行電解，硫酸離子係通過陰離子交換膜7而移動至陽極室3，鈉離子係通過陽離子交換膜8而移動至陰極室6。經稀釋的水溶液係由中間室4被排出。
在圖2中顯示形成有如圖1所示之三室電解槽用的中間室的室框元件4的主要部位的斜視圖。圖2的室框元件4係具有在中央部具有開口的框形狀。室框元件4的厚度係具有安裝用以將歧管與該室框元件4相連接的配管所需厚度。其中，圖2係省略所安裝的配管與歧管的圖示。室框元件4係由樹脂所成，藉此可防止習知之室框元件為金屬製時造成問題的洩漏電流所致之腐蝕。
但是，在僅將習知的金屬製的室框元件，將形狀照原樣而僅將材料變更為樹脂的室框元件4中，並未改變中間室的厚度，與習知相比，不致於抑制電解中的電壓降。因此，在圖3中以平面圖(同圖(a))及側面圖(同圖(b))顯示可減薄中間室的厚度的本發明之一實施形態之室框元件14。
圖3的室框元件14係具備：具有內部空間的袋體141、被收容在袋體141內的框142、及形成在袋體141的入口143及出口144。
袋體141係由例如樹脂薄膜所成，在圖示之例中係具有大致長方形的平面形狀。袋體141係將二個樹脂薄膜相疊合，將薄膜周圍藉由接著劑或熱封進行密封而形成為袋狀。亦可將一個樹脂薄膜折返而相疊合，且將折返部以外的周圍進行密封而形成為袋狀，來取代準備二個樹脂薄膜。樹脂薄膜係可選擇不會有被電解液腐蝕的情形的任意樹脂薄膜，可使用例如聚乙烯、聚酯(PET等)、聚丙烯等、或PTFE、PFA、PVC等一般塑膠等等。
形成袋體141的二個樹脂薄膜的各個的中央部係形成有用以使作為隔膜的離子交換膜相對向的開口部141a。在比袋體141中收容前述框的部分更為外側，在圖示的本實施形態中，係在袋體141的長邊方向的其中一方的端部近傍，形成入口143，在另一方的端部近傍形成出口144。
更具體而言，在圖3所示之本實施形態中，袋體141係在袋體141的長邊方向的端部，分別具有大致三角形的平面形狀的凸部141b及凸部141c，全體而言具有六角形的平面形狀，而非大致長方形。在該凸部141b形成有入口143，在凸部141c形成有出口144。藉此，由入口143被導入至袋體141內的電解液係在袋體141的長邊方向的端部，以朝向三角形的凸部141b的底邊以寬幅方向加寬的方式，流動電解液，因此流動性佳，可對框142平順地流動。此外，由袋體141內的框142朝向出口144的電解液係由三角形的凸部141c的底邊，電解液以流動被收斂的方式流至出口144，因此流動性佳，可對出口144平順地流動。其中，袋體141的凸部141b或凸部141c並非為必須，若電解液可在袋體141內平順地流動，袋體141的長邊方向端部的形狀不拘。未具有凸部141b或凸部141c的實施形態容後敘述。
入口143係具有可將電解液導入至袋體14內的構造。出口144係具有可排出袋體141內的電解液的構造。在圖3所示之例中，入口143及出口144係藉由在一個樹脂薄膜形成有開口而形成。在入口143及出口144係分別安裝有噴嘴145，在該噴嘴145連接樹脂製的配管。在圖3所示之例中，入口143及出口144係分別設有1個，但是入口143或出口144亦可設有複數個。
由入口143被導入至袋體141內的電解液係朝向開口部141a流動，在開口部141a，若為圖1所示之三室電解槽，係藉由陰離子交換膜7及陽離子交換膜8作離子交換，經離子交換後的電解液朝向出口144流動。 室框元件14係必須在袋體141內形成有電解液的流路，俾以可確保如上所示之一連串電解分解處理所需流量。因此，本實施形態之室框元件14係在袋體141的內部空間設有框142。框142係樹脂製。框142的樹脂係可選擇不會有因電解液而腐蝕的情形的任意樹脂，可使用例如聚乙烯、聚酯(包含PET等)、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯等、或PTFE、PFA、PVC等一般的塑膠等。
框142的開口的平面形狀及大小係與袋體141的開口部141a的開口的平面形狀及大小大致相同。框142的開口與袋體141的開口部141a的開口係被對位在相同位置而彼此藉由接著劑等而被固接。框142係形成有由框外通至框內的溝或管、或形成為多孔質，可由框內至框外，相反地，由框外至框內，流通電解液。在圖3所示之本實施形態之室框元件中，係在框142的表面形成有通至框內與框外的溝142a。在圖示之本實施形態中，在框142的四邊之中與入口143相對向的一邊及與出口144相對向的一邊的合計二邊，分別形成有溝142a。溝的位置、大小、個數並非為限定於圖3所示者。
本實施形態之室框元件14係若框142的厚度可確保電解液的流量，若有最小限度的厚度即足夠。因此，框142的厚度係可儘可能減薄至所需最小限度。電解中的電壓降量係依框142的厚度及袋體141的樹脂薄膜的厚度的合計而定，因此本實施形態之室框元件14係可藉由儘可能減薄至所需最小限度的框142來抑制電壓降。
此外，室框元件14係藉由連接於入口143及出口144的配管而被導入電解液且排出，因此即使為使複數單位晶胞作配列的構造的電解槽，若使連接於各單位晶胞的配管集合即可，因此不需要在室框元件14的內部設置歧管。因此，如在內部設有歧管的中間室般，並不需要貫穿所有元件的流路，單位晶胞的構造較為簡單，製造成本亦廉價即可，而且可減小旁路電流，因此亦可減小無效電力的消耗。
此外，室框元件14係基本構成為袋體141、與框142的二個構件的簡單構造，藉由衝壓成型來貼合兩者，藉此可輕易製造，因此可輕易大量生產，且因此亦可降低製造成本。此外，大型化亦較為容易。此外，室框元件14係袋體141、及框142由樹脂所成，藉此可防止習知的室框元件為金屬製時造成問題的洩漏電流所致之腐蝕。
在圖4中顯示其他實施形態之室框元件24的斜視圖。圖4的室框元件24係具備：具有內部空間的袋體241、被收容在袋體241內的框242、及形成在袋體241的入口243及出口244。在入口243及出口244係分別安裝有噴嘴245。袋體241係形成有開口部241a，框242係形成有溝242a。
圖4所示之室框元件24係樹脂製，基本構造與圖3所示之室框元件14相同。相異處為袋體241的形狀具有長方形的平面形狀。亦即，圖3所示之室框元件14的袋體141具有凸部141b及凸部141c，相對於此，圖4所示之本實施形態之室框元件24的袋體241並未具有凸部。圖4的室框元件24的框242、入口243及出口244係具有與圖3的室框元件14的框142、入口143及出口144相同的構成，因此省略與前述重覆的說明。
圖4所示之室框元件24係具有與圖3所示之室框元件14相同的效果。亦即，室框元件24係可藉由將厚度減薄至所需最小限度的框242來抑制電壓降，藉由連接於入口243及出口244的配管，被導入電解液且排出，因此與在內部設有歧管的中間室相比，不需要貫穿所有元件的流路，單位晶胞的構造較為簡單，製造成本亦廉價即可，而且可減小旁路電流，因此亦可減小無效電力的消耗，基本構成為袋體241、與框242的二個構件的簡單構造，以衝壓成型貼合兩者，藉此可輕易製造，因此輕易大量生產，且因此亦可降低製造成本。此外，大型化亦較為容易。此外，室框元件24係袋體241、及框242由樹脂所成，藉此可防止習知的室框元件為金屬製時造成問題的洩漏電流所致之腐蝕。
在圖5中顯示其他實施形態之室框元件34的斜視圖。圖5的室框元件34係具備：具有內部空間的袋體341、被收容在袋體341內的框342、及形成在袋體341的入口343及出口344。在入口343及出口344係分別安裝有噴嘴345。袋體341係形成有開口部341a，框342係形成有溝342a。
圖5所示之室框元件34係樹脂製，基本構造與圖3所示之室框元件14相同。相異處為袋體341的形狀具有大致直方體的箱型的形狀。圖5的室框元件34的框342、入口343及出口344係具有與圖3的室框元件14的框142、入口143及出口144相同的構成，因此省略與前述重覆的說明。
室框元件34係樹脂製，具有與圖3所示之室框元件14相同的作用效果。亦即，室框元件34係可藉由將厚度減薄至所需最小限度的框342來抑制電壓降，藉由連接於入口343及出口344的配管，被導入電解液且排出，因此與在內部設有歧管的中間室相比，不需要貫穿全部元件的流路，單位晶胞的構造較為簡單，製造成本亦以廉價即可，而且可減小旁路電流，因此亦可減小無效電力的消耗，基本構成為袋體341、及框342的二個構件的簡單構造，以衝壓成型貼合兩者，藉此可輕易製造，因此輕易大量生產，且因此亦可降低製造成本。此外，大型化亦較為容易。此外，室框元件34係袋體341、及框342由樹脂所成，藉此可防止習知的室框元件為金屬製時造成問題的洩漏電流所致之腐蝕。 由圖3～5可理解，袋體係可形成為各種形狀。
針對圖5所示之室框元件34的情形，使用圖6，說明室框元件的製造方法之一例。 如圖6(a)所示，由樹脂薄膜作成袋體341。作成袋體341的方法/裝置係可使用周知的方法、裝置。袋體341的至少一面係可形成開放，俾以可在之後將框342插入至袋體341的內部空間。
接著，如圖6(b)所示，在相對向的2面之雙方形成用以對袋體341流通電流的開口341a。 接著，如圖6(c)所示，在袋體341形成入口343及出口344，且在入口343及出口344的各個安裝噴嘴345。其中，圖6(b)所示之開口341a的形成、與入口343及出口344的形成的順序為任意，亦可先進行入口343及出口344的形成後，再進行開口341a的形成。 接著，如圖6(d)所示，在袋體341內插入框342而使其相互固接，而且將袋體341的外周部藉由接著劑或熱封進行密封。
以上使用圖示說明本發明之室框元件，惟該說明及圖示係顯示一例者，本發明並非為限定於該等而予以解釋者。若可達成各實施形態中所說明的作用效果，施加各種設計變更等變形的實施態樣亦包含在本發明之範圍內。例如，三室電解槽亦可為使用雙極電極者。此外，以上說明使用在電解槽的實施形態，惟本發明之室框元件亦可為使用在電滲析槽者。
【0038] 1:三室電解槽 2:陽極 3:陽極室 4:中間室(室框元件) 5:陰極 6:陰極室 7:陰離子交換膜 8:陽離子交換膜 14,24,34:室框元件 141,241,341:袋體 141a,241a,341a:開口部 141b,141c:凸部 142,242,342:框 142a,242a,342a:溝 143,243,343:入口 144,244,344:出口 145,245,345:噴嘴
[圖1]係電解槽的模式剖面圖。 [圖2]係室框元件的模式斜視圖。 [圖3]係本實施形態之室框元件的說明圖，(a)係正面圖，(b)係側面圖。 [圖4]係其他實施形態之室框元件的說明圖，(a)係正面圖，(b)係側面圖。 [圖5]係其他實施形態之室框元件的斜視圖。 [圖6]係說明室框元件的製造工程之一例的斜視圖。
1:三室電解槽
2:陽極
3:陽極室
4:中間室(室框元件)
5:陰極
6:陰極室
7:陰離子交換膜
8:陽離子交換膜

Claims (7)

  1. 一種室框元件，其係電解槽用或電滲析槽用的室框元件，其特徵為：具備：袋體；被收容在該袋體的內部空間的框；及形成在比前述袋體中收容前述框的部分更為外側，且可安裝配管的入口及出口。
  2. 如請求項1之室框元件，其中，該室框元件由樹脂所成。
  3. 如請求項1之室框元件，其中，前述框具有：將由前述入口所流入的液體通至框的內側，且將框的內側的液體通至前述出口的流路。
  4. 如請求項3之室框元件，其中，前述流路係通至前述框的外側與內側的溝或管、或前述框藉由多孔質材料所形成。
  5. 如請求項1之室框元件，其中，該室框元件為三室電解槽用。
  6. 一種電解槽，其係具備如請求項1至請求項5中任一項之室框元件。
  7. 一種電滲析槽，其係具備如請求項1至請求項4中任一項之室框元件。
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