JPH02305986A - 複極式電解槽 - Google Patents

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、廃液処理、金属回収、不純物分解又は除去、
食塩電解、水電解、有機電解等の各種電解反応に使用で
きる複極式電解槽に関する。

（従来技術とその問題点） 従来から食塩電解による苛性ソーダの生成や水電解によ
る酸素及び水素の発生等の通常の電解反応をはじめとし
て、めっき廃液の処理及び該廃液からの貴金属等の回収
のように広汎に電解が使用されている。例えば廃液処理
を電解以外の方法で行う場合は、該廃液が一般に粘度が
高く取り扱い難い廃有機物を含有するため、通常の処理
操作を行い難く前記廃有機物を分解できずそのまま廃棄
することが多くなっている。しかしながら、電解を使用
して該廃液処理を行う場合には、該廃液を電解槽に導（
のみで電極表面で前記有機物の分解が生じて、無害なガ
スや水等に分解することができる。

有機反応を生じさせて有機化合物を他の化合物に変換さ
せる場合に使用される有機電解では、有機反応でほぼネ
可避的に生ずる副反応をほぼ完全に抑制し目的とする化
合物を高い収率及び選択率で得ることができる。更に前
述の食塩電解や水電解においても同様に高収率で目的物
質を得ることができる。

このように電解反応は一般の有機及び無機反応に比較し
て利点が多いため工業的に広く利用されているが、電解
による目的物質製造コストの大部分を占める電力コスト
を低減するために従来から種々の技術が提案されている
。

その−例として、電極として多孔質電極を使用方法があ
り、該方法によると、電極の表面積が大きくなり広い面
積で電解液と接触して電解反応速度が上昇することが知
られている。しかし例えば多孔質の炭素板を電極として
使用して電解を行うと、実際に電極反応が生ずるのは対
極側に面した平面部分のみで電解に寄与する面積の増加
には結びついていない。

更に若干量の不純物金属を含有する金属溶液から該不純
物金属を除去して精製を行うには、従来は試薬゛を添加
して前記不純物金属を沈澱させて除去するようにしてい
るが、該精製に使用する試薬コストが高価になり、より
効率的で経済的な精製方法が要請され、該要請に応える
方法として電解技術が提案され、該電解においても上述
の通り電力コストの低減が要請されている。

（発明の目的） 本発明は、電解反応に寄与する電極表面の表面積を増加
させた電極を使用して効率良く電解反応を生じさせるこ
とのできる複極式電解槽を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、第１に繊維状炭素陰極及び該陰極に接続され
た陽極を含んで成る複数の電極構造体を絶縁部を介して
陽陰両極が対向するように配置したことを特徴とする複
極式電解槽であり、第２に該第１の発明の電解槽を横方
向に配置しかつ電極構造体を電解液の進行方向に対して
垂直に隙間なく配置させ、該電解液を強制的に前記電極
構造体を通過させ電解を行わせることを特徴とする複極
式電解槽であり、第３に隔膜を介して陽極室及び陰極室
に区画された単位電解槽を積層して成る複極式電解槽に
おいて、集電体に接続された繊維状炭素を陰極とするこ
とを特徴とする複極式電解槽である。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明に係わる複極式電解槽は、廃液処理、金属回収、
溶液中の不純物除去、シアン等の分解、食塩電解、水電
解、有機電解等の各種電解反応に使用することができる
。

本発明は、陰極として繊維状炭素陰極を使用する。該繊
維状炭素陰極はそのまま使用しても、ピッチや樹脂を使
用して板状等に成形して使用してもよいが、最終的に繊
維が陰極物質として残存する必要がある。前述した通り
、多孔質炭素板等の通常の多孔質体を電極として電解を
行うと、電極自体は高表面積を有しても電極として有効
に機能する部分は対極に対向する面のみで実際には電解
面積の増加には繋がらない。

これに対し繊維状炭素陰極を使用する本発明に係わる電
解槽では、理由は明確ではないが、繊維状炭素陰極の各
繊維のそれぞれのほぼ全面が電極反応を行い、その有効
電極面積の増加量は多大なものとなる。該効果は、繊維
状炭素の長さが十分に長く陰極内における電位勾配がな
く該陰極のどの部分でも電位が等しいため、電解反応が
前記陰極のどの部分でも生じ該陰極のほぼ全面が電極と
して機能するためと推測することができる。

従ってその陰極電流密度は極小となり、これにより電流
効率が飛躍的に向上する。例えば廃液中の貴金属を電解
により電極上に電析させて回収する場合、該貴金属濃度
がｌＯ〜１０００ｍｇ／　Ｉｔ程度でありこれをＩＢ／
ｊ！以下にする際に従来の板状炭素電極を使用するとそ
の電流効率は１〜１０％程度であるのに対し、本発明に
係わる繊維状炭素陰極を使用する複極式電解槽では、ｌ
Ｏ〜３０％程度に上昇する。

本発明に使用する繊維状炭素は市販のものを使用すれば
よく、板状、フェルト状等の成形したものあるいは綿状
のものをそのまま使用することができる。

該繊維状炭素自体には電解電圧低減機能はないため、電
圧を減少させることにより消費電力の低減を図るために
は、パラジウム、ルテニウム、白金等の貴金属触媒を前
記繊維状炭素上に担持させる必要がある。これにより電
解電圧を低減させて電解反応を促進するとともに、前記
繊維状炭素陰極の寿命を延ばすことが可能になる。

本発明に係わる電解槽に使用する陽極は特に限定されず
、貴金属酸化物電極、二酸化鉛電極、炭素電極等を用途
に応じて選択し、該陽極を前記陰極と接合するか、ある
いは一体成形された繊維状炭素のみを電極として使用し
、通電することにより分権させて陰陽両極として機能さ
せることができる０本発明ではこの後者の態様も陰陽両
極が電気的に接続されているという。

該繊維状炭素陰極を複極タイプに接続して複極式電極槽
を構成するが、その接続構造は特に限定されない。例え
ば廃液処理、金属回収あるいは溶液中の不純物金属除去
等の電解では、陽極室と陰極室に区画する必要はないた
め隔壁が下歯になり、電解が生ずる対向する両極間の短
絡防止を確実に行うことのできる構造とすれば＋（）で
ある、なお両極室を区画しない構造において陽極反応と
して酸素が発生する場合にはこの酸素による繊維状炭素
の酸化を防止するため該繊維状炭素陰極に二酸化鉛、酸
化イリジウム、酸化白金等の補助材料を密着させること
が望ましく、陽極反応が塩素発生である場合には繊維状
炭素陰極単味での使用が可能である。なお、このタイプ
の複極式電解槽では、電極を縦方向に配置する縦型構造
だけでなく、電極を横方向に配置する横型構造も可能で
ある。後者の横型構造は、特に電解槽の電解液進行方向
の垂直方向全体に隙間なく電極を位置させ前記電解液を
前記電極内を強制的に通過させて電解を行わせる際に好
都合である。

又食塩電解等の電解反応では、陽極室と陰極室を区画し
て陽極生成物と陰極生成物を分離する必要がある。その
ためには従来通り食塩電解等ではイオン交換膜である隔
膜により、又水電解等では素焼板等のイオン交換機能を
有しない隔膜により両極室を区画することが好ましい。

このタイプの電解槽では前記隔膜が存在するため陽極で
発生するガスが陰極に接触しないため前記補助材料の使
用は不要である。更にこの隔膜型電解槽では、前記繊維
状炭素陰極を陰極室全体に充填することが可能であり、
これにより該陰極が前記隔膜に接触していわゆるゼロギ
ャップタイプの電解が可能になり、電解電圧低減にも寄
与することができるとともに、より以上の電解面積の増
加を図ることができる。

次に添付図面に基づいて本発明に係わる複極式電解槽の
好ましい実施例を例示するが、本発明はこれらの電解槽
に限定されるものではない。

第１図は、本発明の複極式電解槽の一実施例を示す縦断
面図であり、廃液処理や金属回収等に使用して有効な電
解槽を示すものである。

ｌは、左右に給液口２と廃液口３を有する箱型の電解槽
本体で、該電解槽本体ｌ内部には、二酸化鉛や貴金属酸
化物被覆チタン等の板状陽極４と前述の繊維状炭素を板
状に成形した陰極５とを接合させた電極構造体６が左右
両端を除いてメツシュ状の絶縁体７を介して積層されて
いる。前記本体！内の左端には、前記陽極４のみが配置
され、該陽極４に電流が供給され、前記複数の電極構造
体６を通って右端の陰極５から槽外へ導かれる。

該電解槽本体１に前記給液口２から例えば希釈金属溶液
を供給すると、陽極４上では溶液中の水の電解による酸
素発生が生じ、一方陰極上では水電解による水素発生と
、溶液中の金属例えばパラジウムイオンの還元による金
属パラジウムの析出が起こる。

この場合陰極１表面積が大きくかつそのほぼ全面に金属
析出が生ずるため、電流効率が増大し、しかも長時間に
亘り金属析出を継続することができる。

第２図は、本発明に係わる複極式電解槽の第２実施例を
示す縦断面図であり、食塩電解、水電解あるいは有機電
解等の電解槽を陽極室と陰極室に区画して行う電解に使
用することができる。

１）は、内部がイオン交換膜等の隔膜１２により陽極室
１３と陰極室１４に区画された単位電解室で、該単位電
解室１）が左右方向に積層されて電解槽本体１５が構成
されている。前記陽極室１３には二酸化鉛や貴金属被覆
チタン等の陽極１６が、又前記陰極室１４には繊維状炭
素を板状に成形した陰極１７が集電体１８を介して配置
されている。各陽極室１３の下面には電解液供給及び排
出用の導管１９を介して陽極室用マニホールド２０が接
続され、かつ各陰極室１４の上面には電解液供給及び排
出用の導管２１を介して陰極室用マニホールド２２が接
続されている。

該電解槽本体１５に前記陽極室用マニホールド２０を通
して濃厚食塩水溶液を、又前記陰極室用マニホールド２
２を通して希釈苛性ソーダ水溶液を供給すると、陽極室
１３では食塩中の塩素イオンの酸化による塩素ガス発生
が生じ、又陰極室１４では水の電解による水素発生と前
記隔膜１２を通して陽極室１３から陰極室１４へ浸透し
たナトリウムイオンが水酸イオンと結合して苛性ソーダ
が発生する。

この場合も同様に陰極表面積が大きくかつそのほぼ全面
で電解が生ずるため、電流効率が増大する。

第３図は、第１図の電解槽の変形例を示す縦断面図であ
り、電極構造体内を強制的に電解液を通過させて電解を
促進するタイプの電解槽として使用することができる。

３１は、下面中央の給液口３２、右上側面の取出口３３
及び上面中央のガス排出口３４を有する箱型の電解槽本
体で、該電解槽本体３１内部には、上下両端を除いて、
二酸化鉛や貴金属酸化物被覆チタン等の板状陽極３５と
繊維状炭素を板状に成形した陰極３６とを接合させた電
極構造体３７がメツシュ状の絶縁体３８を介して積層さ
れかつ該電極構造体３７の周縁部は前記電解槽本体３１
の内壁に隙間なく密着している。該本体３１内の上端に
は前記陽極３５のみが配置され、該陽極３５に電流が供
給され、前記複数の電極構造体３７を通って下端の陰極
３６から槽外へ導かれる。該電解槽本体３１に前記給液
口３２から例えば銅とカドミウムを不純物として含有す
る亜鉛水溶液を加えると、該溶液が前記陰極３６中を強
制的に通過させられる際に該溶液中のイオン化傾向の低
い銅及びカドミウムがほぼ選択的に前記陰極３６上に析
出して亜鉛のみを含有する溶液が前記取出口３３で得る
ことができる。この場合も同様に陰極表面積が大きくか
つそのほぼ全面が金属析出に有効に使用できるため、電
流効率が増大ししかも長時間に亘り金属析出を継続でき
、更に前記陰極３６が隙間なく電解液の進行方向に垂直
に位置しているため、前記電解液が必ず前記各陰極３６
と接触し析出効率の向上を図ることができる。、（実施
例） 次に本発明の複極式電解槽を使用する電解反応の実施例
を記載するが、該実施例は本発明を限定するものではな
い。

大狙阻上 第１図に示す複極式電解槽に類似する電解槽を使用して
溶液中のパラジウム金属９凹収を行った。

電解槽本体は直径（内径）５ｃｍ、厚さ１Ｏｃｓ＋の塩
化ビニル製円筒体とし、電極構造体は陽極と陰極を別個
に設置せずに、直径５ｃｍ厚さ５ｍｍの繊維状炭素（日
本カーボン株式会社製「カーボロン−Ｐフェルト」、嵩
比重約０．１ｇ／ｃＩｉＩ）を使用し、該電極構造体を
塩化ビニル製メツシュから成る絶縁体を介して積層した
。

塩化パラジウム２．０ｇを希塩酸５．０βに溶解してサ
ンプル溶液を調製し、前記電解槽の給液口から前記サン
プル溶液を供給し、室温、３Ａ、１２Ｖの条件で電解を
行い、廃液口から取り出される前記サンプル溶液を再度
前記給液口に循環させて３０分間通電を継続させた。

通電停止後、電解液中のパラジウム濃度を測定したとこ
ろ１ｃｍｇ１）以下となっており、電流効率は約２０％
であった。又ルーぺにより前記繊維状炭素電極を観察し
たところ、陰極として機能する側のほぼその全面が金属
光沢を有する物質で被覆されていた。

此ｔｕ生１ 陰極として多孔質板状炭素電極（東洋カーボン株式会社
製）を使用したこと以外は実施例１と同様の条件でサン
プル溶液を電解し、通電停止後、電解液中のパラジウム
濃度を測定したところ、１８０ｍｇ７Ｎであり、電流効
率は５％であった。又ルーパにより前記板状陰極を観察
したところ、陰極として機能する面のみが金属光沢を有
する物質で被覆されていた。

大止皿１ 第２図に示す複極式電解槽を使用して食塩水溶液の電解
による苛性ソーダの製造を行った。

陽極液として２５０ｇ／＃の濃厚食塩水溶液を、又陰極
液として１４０　ｇ　／　１の希釈苛性ソーダ水溶液を
使用した。陽極としては５ｃｎ＋Ｘ　５ｃｍＸ　１．５
ｍｍの寸法安定性陽極を、又陰極としては同形状で金属
パラジウムを担持させた繊維状炭素陰極（日本カーボン
株式会社製「カーボロン−Ｐフェルト」）を使用し、該
両極をナフィオン（登録商標）７１０で区画した陽極室
及び陰極室に収容し、陰極集電体として炭素板を使用し
た。両マニホールドから前記陽極液及び陰極液を供給し
ながら、５０℃、５Ａ、１３．６Ｖの条件で電解を行い
、前記マニホールドから取り出される両極液再度循環さ
せて２．２５時間通電を継続させた。

通電停止後、前記陰極液の苛性ソーダ濃度を測定したと
ころ２０５ｒ／ｌであり、電流効率は９７％であった。

（発明の効果） 本発明は、成形後に繊維状に維持されている炭素を陰極
として使用する基極式電解槽である。

該繊維状炭素陰極は、対極に面する部分のみが電極作用
を発現する従来の炭素電極等の多孔質電極と異なり、繊
維状炭素の長さが十分に長く陰極内における電位勾配が
なく該陰極のどの部分でも電位が等しいため、電解反応
が前記陰極のどの部分でも生じ該陰極のほぼ全面が電極
として機能し電流密度の低減をはじめとする電解条件を
有利にすることができるものと推測することができる。

このような特性を有する繊維状炭素陰極を使用する本発
明の複極式電解槽の構造は、陽極室と陰極室を区画しな
いタイプと両極室を隔膜により区画するタイプに大別で
き、前者は更に電極を電解液の進行方向に垂直に隙間な
く位置させるタイプと隙間を生じさせてもよいタイプに
分けることができる。

いずれのタイプの電解槽でも前記繊維状炭素陰極による
陰極の有効電解面積の飛躍的な増加が生じ、電流効率の
増加を図ることができる。又該陰極上に貴金属触媒を担
持させると電解電圧の低減が可能になり、電流効率及び
電解電圧の両面から消費電力の低減を実現することがで
きる。□前述のどのタイプの複極式電解槽でも上記した
利点が生ずるが、無隔膜タイプの電解槽は陽極液と陰極
液が混合されたり、陽極で酸化された物質が再度陰極で
還元されて元の物質に戻るといったことがある反面、電
解槽の構造が簡単であり、特に電解反応で酸化又は還元
された物質が電極上に析出しより以上′の反応に関与し
ないタイプや電解により不要な物質が分解されて電解に
よって元に戻ることのない反応例えば不純物金属の電析
による除去、廃液処理あるいはシアン分解等に使用する
と有利である。

更に該無隔膜タイプの電解槽で、少なくともその陰極を
電解液の進行方向に対して垂直に隙間なく配置させ、該
電解液を強制的に前記電極構造体を通過させ電解を行わ
せると、電解）夜が確実に陰極と接触して所定の電解反
応を促進することができる。

一方隔膜を使用して陽極室と陰極室に区画する隔膜タイ
プの電解槽は、隔膜を使用するため構造がやや複雑にな
る反面、電解生成物が溶液状態で得られる食塩電解等全
ての電解に使用することができる。

該隔膜タイプの電解槽で前記繊維状炭素陰極を陰極室全
体に充填した構造を採用すると、前記無隔膜タイプの電
解槽において陰極を電解液の進行方向に対して垂直に隙
間なく配置させる構成と同様の効果、つまり電解液が確
実に陰極に接触して所定の電解反応の促進する効果が生
ずるだけでなく、該陰極と前記隔膜が接触するゼロギャ
ップタイプの電解が可能になり、より以上の電力低減を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係わる複極式電解槽の第１実施例を
示す縦断面図、第２図は、同じく第２実施例を示す縦断
面図、第３図は、同じく第３実施例を示す縦断面図であ
る。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）繊維状炭素陰極及び該陰極に接続された陽極を含
   んで成る複数の電極構造体を絶縁部を介して陽陰両極が
   対向するように配置したことを特徴とする複極式電解槽
   。
2. （２）繊維状炭素陰極及び該陰極に接続された陽極を含
   んで成る横方向をなす複数の電極構造体を絶縁部を介し
   て陽陰両極が対向するように配置しかつ該電極構造体を
   電解液の進行方向に対して垂直に隙間なく配置させ、該
   電解液を強制的に前記電極構造体を通過させ電解を行わ
   せることを特徴とする複極式電解槽。
3. （３）隔膜を介して陽極室及び陰極室に区画された単位
   電解槽を積層して成る複極式電解槽において、集電体に
   接続された繊維状炭素を陰極とすることを特徴とする複
   極式電解槽。
4. （４）繊維状炭素を陰極室全体に充填した請求項（３）
   に記載の複極式電解槽。