JPH0247283A - 二酸化塩素及び水酸化ナトリウムを製造するための統合操作 - Google Patents

二酸化塩素及び水酸化ナトリウムを製造するための統合操作

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JPH0247283A
JPH0247283A JP63329518A JP32951888A JPH0247283A JP H0247283 A JPH0247283 A JP H0247283A JP 63329518 A JP63329518 A JP 63329518A JP 32951888 A JP32951888 A JP 32951888A JP H0247283 A JPH0247283 A JP H0247283A
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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】 本発明は二酸化塩素及び水酸化ナトリウムを製造する統
合操作に関する。
二酸化塩素及び水酸化ナトリウムはバルブの増白処理及
び精製処理のためにバルブ工場の漂白プラントに広く使
用されている。二酸化塩素は下記の式よる酸性水性反応
媒体中での塩素酸ナトリウム還元によりバルブ工場の現
場で製造される:CIL−+ C1−+ 2H+→Cl
O2−+ 1/2(J2+ 1120また、水酸化ナト
リウムも下記の式による分割セル中での塩化ナトリウム
水溶液の電解反応によりバルブ工場の現場で通常形成さ
れる: NaC1+ lI、O−NaOH+ 1/2CI2+ 
1/2!12水酸化ナトリウムは陰極で形成され、塩素
は陽極で形成される。共製造される塩素はバルブ工場で
往々にしてほとんど価値がない。
二酸化塩素発生操作の1つは下記の式による塩素酸ナト
リウムと塩酸の反応を含むものである:NaCl0a+
211Cj!→C1oz+1/201z+NaC1’+
H20該方法の1例は本出願人のカナダ特許956,7
84号明細書に記載されているようないわゆるR5法で
あり、反応は減圧状態を適用して約0.05規定〜約0
.3規定の合計酸規定度をもつ沸騰反応媒体中で行なわ
れる。得られた二酸化塩素及び塩素はスチームとの混合
物として反応帯域から取り出される。該方法は副生成物
塩化ナトリウムの沈澱を行なったり、副生成物塩化ナト
リウム含有水性流出流の除去を行なうことがある。
上述のような二酸化発生方法の他の例は1988年2月
16日付けで出願したカナダ特許出願S、N。
558.945号明細書に記載されている電解操作であ
る。該明細書に記載されているように、外部から装入さ
れた塩素酸イオンは、カチオン交換膜により陽極区画か
ら分離された、三次元高表面積をもつ陰極を備えた電解
槽の陰極区画内で水素イオン及び塩素イオンにより還元
される。該電解槽へ印加された電流は陰極区画内で共製
造された塩素を塩素イオンへ還元するが、酸必要量のほ
ぼ半分を通常提供する電解により形成された水素イオン
はカチオン交換膜を通って陽極区画から陰極区画へ移動
する。該方法は陰極区画から副生酸物水性塩化ナトリウ
ム流を生ずる。
本発明よれば、塩酸系二酸化塩素発生方法は電解による
水酸化ナトリウム形成操作と統合されて化学薬品のより
効率的な使用が達成され且つ所望でない副生酸物類の形
成を回避する新規な統合操作が提供される。
水酸化ナトリウムは3つの区画すなわち陽極区画、中央
区画及び陰極区画を備える電解槽中で形成される。上述
の3区画はカチオン交換膜により互いに分離されている
。
二酸化塩素は反応帯域中での塩素酸ナトリウムと塩化水
素酸との反応により形成され、塩化ナトリウム含有水性
流出流は反応帯域から上記電解槽の中央区画へ送られる
。
水素イオンは上記電解槽の陽極区画中で電解液から電解
により形成され、陽極区画からカチオン交換膜の1つを
通って中央区画へ移動して該区画内で塩酸を形成する。
ヒドロキシルイオンは陰極区画中で電解液から電解によ
り形成され、他のカチオン交換膜を通って陰極区画から
中央区画へ移動して該区画内で水酸化ナトリウムを形成
する。
塩酸含有流出流は電解槽の中央区画から反応帯域へ向か
って該帯域内へ塩酸を提供する。二酸化塩素は該反応帯
域から除去される。水酸化ナトリウムは電解槽の陰極区
画から回収される。
包含される反応は下記の式により示すことができる: 二酸化塩素発生袋′Il: Na(JO* + 2H(J−C10z + 1/2C
L + 1120+ NaC1’電解槽: 陽極:1/2H20→I(”+e−+ L/40x陰極
:1120+ e−−1/2112 + 011″′中
央区画:NafJ+ H”+Na”+ HCj!全体:
NaCj!+ 3/2HzO−Na011+ HCe+
 1/2H,+ 1/40゜上述の式から、二酸化塩素
発生操作からの副生成物塩化ナトリウムは電解槽内で処
理されて二酸化塩化発生装置の酸必要量の半分の酸を造
り、−方、水酸化ナトリウムが電解槽中で塩素の共製造
なしに遣られることが判るであろう。
二酸化塩素発生操作からの塩素は沈澱処理を行なわない
R5法の場合と同様に二酸化塩素と共に収集することが
でき、また、上述のカナダ特許用IjS、N、558,
945号明細書の操作の場合と同様に電解還元して塩酸
の残部を提供することもできる。
添付図面を参照して本発明を更に説明する。
まず、第1図について記載すると、導管(12)により
塩素酸ナトリウム水溶液が、導管り14)により塩酸が
、導管(16)によりリサイクル酸性化発生装置液体が
それぞれ二酸化塩素発生袋! (10)へ装入される。
塩素酸ナトリウムは約3モル〜約7モルの塩素酸ナトリ
ウム濃度をもつ水溶液の形態で二酸化塩素発生装置(1
0)へ装入される。
二酸化塩素発生装置(10)において、上記反応剤類は
約3〜7モル、好適には約5〜6.5モルの塩素酸ナト
リウム濃度及び約0.01〜0.3規定、好適には約0
.05〜1規定の酸度をもつ水性酸性反応媒体を形成す
る。該反応媒体は約50〜85℃、好適には約60〜7
0℃の該媒体の沸点に維持され、一方、減圧状態を適用
して反応媒体をその沸点に維持する。
二酸化塩素及び塩素は二酸化塩素発生装置(10)中の
反応剤類から形成され、導管(18)によりスチームと
のガス状混合物で二酸化塩素発生装置(10)から除去
される。該ガス状生成物流を処理して二酸化塩素の水溶
液として該生成物流から二酸化塩素を回収することがで
きる。
塩化ナトリウムは二酸化塩素発生操作の副生成物として
形成される。塩化ナトリウムに富んだ水性副生成物流の
形態の発生装置液体が二酸化塩素発生装置から除去され
、導管(20)により陽極区画(26)及び陰極区画(
28)をも備える二区画電解槽(24)の中央区画(2
2)へ向かう、陽極区画(2B)及び中央区画く22)
はカチオン交換JflI (30)により分離されてお
り、一方、陰極区画(28)及び中央区画(22)はカ
チオン交換膜(32)により分離されている。
カチオン交換膜(30)及び(32)はアニオンよりカ
チオンを選択的に通すことができる任意の好都合な物質
から形成することができる。好適には、カチオン交換膜
(30)及び(32)は商標名rNAFION、として
販売されているもののような側鎖カチオン交換官能基を
もつパーフルオロカーボンポリマーより形成される。
後述のようにして形成される塩酸に富み且つ塩化ナトリ
ウムの少ない溶液の形態の酸性化発生装置液体は導管(
16)により中央区画(22)からの除去されて二酸化
塩素発生装置く10)へ送られる。
酸素酸、通常硫酸の初期装入後、水を導管(34)によ
り陽極区画(26)へ装入し、水は導管(35)により
排気される酸素及び水素イオンへ電解され、該水素イオ
ンはカチオン交換! (30)を通って中央区画(22
)へ移行する。陽極硫酸溶液は導管(36)によりリサ
イクルされ、補充用の水は導管(38)により添加され
る。
中央区画(22)において、移行した水素イオンは導管
(20)より装入される発生装置液体中の塩素イオンと
共に塩酸を形成し、一方、ナトリウムイオンは中央区画
(22)から陰極区画(28)へ移行する。
導管(40)により水が陰極区画(28)へ装入され、
該区画内で電解されて導管(42)より排気される水素
及びヒドロキシルイオンを形成する。ヒドロキシルイオ
ンはカチオン交換膜を通って移動したナトリウムイオン
と結合して水酸化ナトリウムを形成し、該水酸化ナトリ
ウムは導管(44)により陰極区画(28)から除去さ
れる。
従って、第1図に記載する操作は下記の全体式により塩
素酸ナトリウム装入原料及び塩酸装入原料から二酸化塩
素、塩素及び水酸化ナトリウムを製造する: NaCN0. 十HC4−ClO2+ 1/2C42+
 NaOH二酸化塩素発生装置(10)で必要な塩酸の
半分が外部から装置へ装入されるが、残余は二区画電解
槽(24)内部で発生し、二酸化塩素発生装置からの副
生成物塩化すl・リウムは水酸化ナトリウムへ変換され
る。
次に、第2図について説明する。第2図は第1図に記載
の操作と同様の操作を説明するものであり、塩素酸ナト
リウム及び水を用いて実質上純粋な二酸化塩素及び水酸
化ナトリウムが形成される。
この場合において、二酸化塩素は電解槽(100)中で
形成される。二酸化塩素の電解による製造は関連出願で
ある前述のカナダ特許出願S、N、558,945号明
細書に説明されている。二区画電解槽(24)はそのま
まである。
塩素酸ナトリウム水溶液は導管(102)より電解槽(
100)の三次元電極を備える陰極区画(104)へ装
入される。また、塩酸含有酸性化発生装置液体は導管(
106)により陰極区画(104)へ装入される。
導管(102)にり装入される塩素酸ナトリウム水溶液
は、その装入流速で陰極区画(104)中で通常約5モ
ル以上、好適には約5モル〜約6.5モルの比較的高濃
度の塩素酸ナトリウムを確立するに充分な濃度をもつ0
通常、塩素酸ナトリウム装入原料溶液は約3〜7モルの
範囲内の濃度をもつ。
電解槽(100)は陽極区画(110)から陰極区画(
104)を分離するカチオン交換11(108)を備え
る。カチオン交換15(108)はカチオン交換膜(3
0)及び(32)について上述した物質のいずれかから
形成することができる。
酸素酸、通常硫酸の初期装入後、水を導管(112)よ
り陽極区画(110)へ装入し、陽極液の電解により製
造される水素イオンはカチオン交換膜(108)を通っ
て陰極区画(104)へ移行する。
カチオン交換M (108)を通る水素イオンの移行及
び導管(106)による塩酸の装入は、少なくとも約0
.01規定、好適には少なくとも約0.05規定の陰極
区画(104)中の合計酸規定度を確立する。
陽極区画(110)における電解工程の際に共製造され
る酸素は陽極区画(110)から導管(114)により
排気される。
陰極区画(104)において、導管(102)により装
入される塩素酸ナトリウムは、後述のように導管(10
6)により装入される酸性化発生装置液体中の水素イオ
ン及び塩素イオン、カチオン交換膜(tOS)を通って
移動する電解により製造された水素イオン、陰極区画(
104)中で電解により製造された塩素イオンと化学的
に反応して下記の式に従って二酸化塩素及び塩素を形成
する: NaCj!Os + 2H” + 2Cj!−→C1!
02 +1 /2C1z + NaC1+ 1120水
素イオン必要量の半分が導管(106)により装入され
る酸により提供され、水素イオン必要量の残余は陽極区
画(110)から移動する水素イオンにより提供される
。
共製造される塩素は陰極区画(104)中に存在する電
気化学的条件下で該区画中に存在する二酸化塩素に対し
て選択的に塩素イオンへ還元される。
残存する実質上純粋な二酸化塩素は導管(11B)によ
り陰極区画(104)から排気される。
上述のように電気化学的に製造された塩素イオンは陰極
区画(104)中での塩素酸塩の化学的還元のための塩
素イオンの半分を提供し、塩素イオンの残余は導管(t
o6)中の酸性化発生装置液体中の塩酸により、または
塩化ナトリウムのような塩化イオンの若干の他の好都合
な外部供給源から提供される。
陰極区画(104)における電解条件に依存して、塩素
イオンを下記の式による電気化学的還元により共製造さ
れた塩素から直接製造することができる: 1/2CL+e−+C(1− また、下記の式により二酸化塩素から電解により製造さ
れる亜塩素酸イオンを用いて化学的に還元により間接的
に製造してもよい二 この後者の操作において、亜塩素酸イオンの形成を制御
し、それによって塩素を非効率的に製造する亜塩素酸イ
オンの更なる電解還元を防止する。
導管(116)中の生成物排ガス流中の塩素濃度を監視
することができ、前記排ガス流中の塩素濃度を制御する
ために使用する電解槽に電流を印加することができる。
導管(102)による塩素酸ナトリウムの装入及び導管
(106)による塩素イオンの装入並びに電気化学的に
製造される塩素イオンは陰極区画(104)で通常少な
くとも約1/1、好適には約2/1〜4/1の塩素酸イ
オン/塩素イオン比を確立する。
陰極へ印加される電極電位は陰極への電流供給装置で測
定する時に飽和カロメル電極(SCE)に対して一1ボ
ルトより貴であり、且つ一般的な条件下で開回路電位よ
り卑であり、好適には一〇、2ボルトより卑である。
陰極の電極電位は平板電極と同様の方法で電流供給装置
で測定された溶液電位に関するものである9本発明に使
用するような三次元電極は電極構造内に固有の電位分布
をもち、正確な電位は測定位置に依存し、SCEに対し
て一1ボルトより卑なこともある。
陰極区画(104)は二酸化塩素形成速度を速めるため
に昇温下に維持される0通常、約50℃以上、好適には
約60〜80℃の温度が使用される。
化学反応により製造される二酸化塩素は塩素を実質上音
まず、この二酸化塩素は陰極区画(104)中で製造さ
れるスヂームと共に陰極区画(104)から生成物ガス
として導管(lie)により排気される。
二酸化塩素の化学的製造からの副生成物塩化ナトリウム
を含有する水性発生装置流出流が水溶液として導管(1
18)により陰極区画(104)から除去される。この
水性発生装置流出流は第1図中の二区画電解槽(24)
に関して上述するように構成且つ操作される二区画電解
槽(Z4)の中央区画(22)へ向かい、二区画電解槽
(24)について第1図と第2図の同じ参照番号は同様
の部材を同定するために使用する。
陰極区画(104)中で使用される陰極は反応剤相互を
長時間にわたり接触させることができる三次元電解液接
触表面をもつ高表面積電極である。
陰極についての術語「高表面積」とは、電解液が電極の
物理的寸法に比較して大表面積の電極表面へ露出するタ
イプの電極に関するものである。電極は電解液が流通す
る隙間を備えて形成されており、それによって電解液と
接触する三次元表面をもつ。
高表面積陰極はいわゆる「フロースルーjタイプである
ことができ、このタイプの電極は導電性多孔質材料、例
えば導電性布の層より造られており、電解液は電解を受
けながら通常電流と平行に多孔質楕遣中を流れ、それに
よって電極の高表面積のメツシュへ露出される。
また、高表面積陰極はいわゆる「フローバイ」タイプで
あってもよく、このタイプの電極は個々の導電性粒子の
充填床よりなり、電解液は電解を受けながら通常電流と
垂直方向に充填床を流れ、それによって高表面積の充填
床の導電性粒子へ露出される。
電極は反応C1i→C1−について低送電位、好適には
高過電位をもつ物質、例えばグラファイトからなること
ができる。電気化学業界の当業者に良く知られているよ
うに、電気化学的反応C12/C1″′に対する電極の
過電位とは適度な速度で平衡電位と比較した前記電気化
学的反応を維持するために必要な電極へ印加される電位
の関係をいう。
もし、電極電位が平衡電位に近い場合には、電極は低送
電位をもつものと見なされるが、実用的な還元速度を得
るために非常に卑の電位が必要な場合には、電極は高過
電位をもつものと見なされる。
上述のような低通電位電極を構成する物質は既知であり
、いわゆる寸法安定性電極を構成するために使用されて
いる。該電極は通常チタン、ジルコニウム、タンタルま
たはハフニウムである基材と貴金属類例えば白金、貴金
属合金例えば白金−イリジウム合金、金属酸化物例えば
酸化ルテニウムまたは二酸化チタン、白金酸塩例えば白
金酸リチウムまたは白金酸カルシウム、または上述の物
質の2種または3種以上の混合物の導電性コーティング
よりなる。低通電位陰極の構成材料を提供するために上
述の材料のいずれをも使用することができる。
中央区画く22)において、導管(118)中の陰極区
画(108)からの塩化ナトリウムに富んだ流出流は酸
性化発生装置液体として装入するための導管(106)
中の塩酸に富んだ溶液へ転化されて二酸化塩素発生操作
についての酸必要量の約半分を提供する。
電解槽(100)の陽極区画(110)からの陽極液硫
酸溶液は導管(120)により導管(34)ヘリサイク
ルすることができ、陽極区画(26)及び陽極区画(1
10)の補充用の水は導管(38)により提供される。
陽極区画(110)及び(26)は共通のリサイクルル
ープをもつように第2図中に記載されているが、個々の
リサイクルループを使用してもよい。
第1図の実施態様の場合のように、水酸化ナトリウム溶
液は陰極区画(28)からの導管(44)中の生成物流
として製造される。全体の操作は塩素酸ナトリウムと水
を反応させて水酸化ナトリウム、二酸化塩素、及び副生
酸物酸素及び水素を形成する下記の式に記載する反応を
包含する: NaCl0z + H2O−C1oz + Na011
 + 1/202 + 1/2tlz従って、第1図及
び第2図に関する上述の操作は塩酸を主体とする二酸化
塩素発生方法及び電解水酸化ナトリウム製造方法を含む
統合操作であり、二酸化塩素発生方法からの副生成物塩
化ナトリウムを処理して二酸化塩素発生方法の塩化水素
酸必要硫酸の半分を形成する。
以下、実施例により本発明を説明する。
尺1燵 第2図に示す配置に対応する実験配置を組み立てた。二
酸化塩素製造のための電解操作の陰極区画は長さ10c
Ifi、厚さ0.6cmをもち、1.0〜1.71の寸
法のグラファイト粒子が充填されており、0.01m2
の公称表面積をもっていた。使用されたカチオン交換膜
はNAFION(商品名)カチオン交換膜であった。二
区画電解槽に関して、2つのNAF IONカチオン交
換膜を使用した。
第2図に関する上述の操作を行なって二酸化塩素及び水
酸化ナトリウムを製造した。二酸化塩素の発生装置にお
いて、IKA/m”の電流密度を使用し、IKA/m2
の電流密度は水酸化ナトリウム発生装置に使用された。
二酸化塩素の発生は70℃の温度で行なわれ、一方、水
酸化ナトリウムの電解もまた70℃で行なわれた。
一連の実験が異なる液体流速で行なわれ、結果を以下の
第1表に記載する。
上述のデータから観察できるように、約80%以上の純
度の二酸化塩素が高化学的効率で得られ、二区画電解槽
において、若干のカチオン交換膜が損失する。
本明細書の開示を要約すると、本発明はパルプ工場で有
用な化学薬品である二酸化塩素及び水酸化ナトリウムの
新規な統合操作を提供するものであり、同時、パルプ工
場での要求が衰退している化学薬品である塩素の合計製
造量を減少するものである0本発明の範囲内で変成を行
なうことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の1実施態様による二酸化塩素及び水酸
化ナトリウム製造操作の概略フローシートであり、第2
図は本発明の他の実施態様による二酸化塩素及び水酸化
ナトリウム製造操作の概略フローシートである0図中、
10・・・二酸化塩素発生装置、12・・・導管、14
・・・導管、16・・・導管、18・・・導管、20・
・・導管、22・・・中央区画、24・・・二区画電解
槽、26・・・陽極区画、28・・・陰極区画、30・
・・カチオン交換膜、32・・・カチオン交換膜、34
・・・導管、35・・・導管、36・・・導管、38・
・・導管、40・・・導管、42・・・導管、44・・
・導管、100・・・電解槽、102・・・導管、10
4・・・陰極区画、106・・・導管、108・・・カ
チオン交換膜、110・・・陽極区画、112・・・導
管、114・・・導管、116・・・導管、118・・
・導管、120・・・導管。 FIG、1゜

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、反応帯域中で塩素酸ナトリウムと塩酸とを反応させ
    て二酸化塩素及び塩化ナトリウム含有水性流出流を生成
    させ、二酸化塩素を生成物として前記反応帯域から回収
    し、且つ塩化ナトリウム及び水から水酸化ナトリウムを
    電解により形成することからなる二酸化塩素と水酸化ナ
    トリウムの製造方法において、 (a)前記反応帯域からの水性流出流を三区画電解槽の
    陽極及び陰極の間に設置された2つのカチオン交換膜に
    より陽極区画、中央区画及び陰極区画へ分割された三区
    画電解槽の中央区画へ送り; (b)三区画電解槽の陽極区画中の陽極液から水素イオ
    ンを電解により形成し且つ電解により形成された水素イ
    オンを陽極区画からカチオン交換膜の1つを通って三区
    画電解槽の中央区画へ移動させて該区画内で塩酸を形成
    し; (c)三区画電解槽の陰極区画中で電解液からヒドロキ
    シルイオンを電解により形成し且つナトリウムイオンを
    中央区画から他のカチオン交換膜を通って陰極区画へ移
    動させて該区画中で水酸化ナトリウムを生成させて生成
    物として水酸化ナトリウムを回収し;且つ (d)中央区画からの流出流を二酸化塩素発生帯域へ送
    って塩素酸ナトリウムとの反応に必要な塩化水素の1部
    を提供することを特徴とする二酸化塩素と水酸化ナトリ
    ウムの製造方法。 2、塩素酸ナトリウムと塩酸の反応が減圧状態を適用し
    ながら反応帯域中で水性酸性反応媒体の沸点に維持され
    た該反応媒体中で行なわれ、二酸化塩素が塩素及びスチ
    ームとのガス状混合物として反応帯域から回収され、三
    区画電解槽の中央区画からの流出流が塩素酸ナトリウム
    との反応の塩酸の必要量の半分までを提供し、且つ塩酸
    必要量の残余が反応帯域の外部から装入される請求項1
    記載の方法。 3、(a)(i)三次元高表面積陰極を備える陰極区画
    及びカチオン交換樹脂により該陰極区画から分離された
    陽極区画を備えてなる二区画電解槽の陰極区画へ塩素酸
    イオンを装入し且つ該二区画電解槽の陰極区画中に水素
    イオン及び塩素イオンを提供し、 (ii)該二区画電解槽の陰極区画中で水素イオン及び
    塩素イオンにより塩素酸イオンを還元して二酸化塩素を
    形成し且つ電流を該二区画電解槽の陰極区画へ印加して
    二酸化塩素と共製造される塩素を塩素イオンへ還元し、
    且つ (iii)該二区画電解槽の陽極区画において水素イオ
    ンを電解により形成し且つ水素イオンを該二区画電解槽
    の陽極区画からカチオン交換膜を通って該二区画電解槽
    の陰極区画へ移動させることにより、塩素酸ナトリウム
    と塩化水素酸の反応を前記二区画電解槽の陰極区画で行
    ない; (b)実質上塩素により汚染されていない二酸化塩素を
    前記二区画電解槽の陰極区画から回収し;且つ (c)三区画電解槽の中央区画からの流出流が塩素酸ナ
    トリウムとの反応の塩酸必要量の半分までを提供し且つ
    塩酸の残余が二区画電解槽の陰極区画中の該電解槽中で
    製造される請求項1記載の方法。
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