JPH07126880A - 塩水電解方法及び電解槽 - Google Patents

塩水電解方法及び電解槽

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JPH07126880A
JPH07126880A JP5292646A JP29264693A JPH07126880A JP H07126880 A JPH07126880 A JP H07126880A JP 5292646 A JP5292646 A JP 5292646A JP 29264693 A JP29264693 A JP 29264693A JP H07126880 A JPH07126880 A JP H07126880A
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ion exchange
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    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/34—Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来のガス電極を使用する塩水電解では、ガ
ス電極の劣化あるいは生成する苛性ソーダの回収の面で
不都合があり、長期運転ができずあるいは苛性ソーダが
陽極室に透過して電流効率を低下させるという欠点があ
った。本発明はこれらの欠点を有しない塩水電解方法及
び装置を提供することを目的とする。 【構成】 気液透過性のガス電極31をイオン交換膜22に
接触状態で陰極室24内に設置する。ガス電極31の電極物
質30上で生成する苛性ソーダはガス電極が気液透過性で
あるため容易に該ガス電極を透過してその背面の陰極室
に移行し容易に回収される。更にガス電極がイオン交換
膜と一体化されていないため、イオン交換膜内で苛性ソ
ーダが生成することがなく、生成する苛性ソーダの陽極
室への透過は更に確実に防止される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガス電極を使用する塩
水電解方法及び電解槽に関し、より詳細には高電流効率
で苛性ソーダ水溶液を安定した運転下でガス電極を使用
する電解反応により製造する方法及び電解槽に関する。
【０００２】
【従来技術とその問題点】近年フッ素系イオン交換膜の
著しい進歩改良により、イオン交換膜法食塩電解が広く
普及している。この方法は食塩水を原料とし電解により
陰極室で水素ガスと苛性ソーダを、陽極室で塩素を併産
する方法である。エネルギー消費を低減させる一法とし
て陰極をガス陰極とし陰極室に酸素を供給しながら電解
を行うことにより水素ガスの発生を抑制して槽電圧を大
幅に切り下げる手法が提案され検討されている。即ち酸
素供給を行わない電解反応である式(1) の反応を酸素供
給を行う電解反応である式(2) の反応に変換することに
より理論的には電圧が1.2 Ｖ以上切り下げられる（例え
ば特開昭52−124496号、特公平2-29757 号、特開昭62−
93388 号）。 ２Ｈ2 ０ ＋ ２ｅ- ＝ Ｈ2 ＋ ２ＯＨ- Ｅ＝−0.83ＶvsＮＨＥ (1) 1/2 Ｏ2 ＋ Ｈ2 ０ ＋ ２ｅ- ＝ ２ＯＨ- Ｅ＝ 0.40ＶvsＮＨＥ (2)
【０００３】通常陰極室に設置されるガス電極は該陰極
室をイオン交換膜側の溶液室とガス室とに区画する。該
ガス電極は通常ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦ
Ｅ）樹脂のような疎水性物質を触媒又は触媒を担持した
粒子を混合し成形することにより製造され、該疎水性に
より液の透過を防止している。しかし該ガス電極は90℃
前後の高温及び32重量％程度の高濃度苛性ソーダに曝さ
れるため長期間の電解では疎水性が徐々に失われ溶液室
の液がガス室側にリークし始める。更にガス電極は主と
して炭素材料と樹脂の混合成形品であるため機械的に脆
く亀裂が生じやすいという欠点があり、この欠点が実用
化への障害となっている。
【０００４】例えば図１に示す従来のガス電極を使用す
る電解槽において、電解槽１はイオン交換膜２により陽
極室３と陰極室４とに区画されている。陽極室３内には
多孔性の陽極５が前記イオン交換膜２の近傍に設置さ
れ、かつ陽極室３の側壁の下部及び上部にはそれぞれ飽
和塩水供給口６及び淡塩水取出口７が形成され、更に陽
極室３上壁には塩素ガス取出口８が形成されている。陰
極室４内にはシート等の基材９上に炭素材料やＰＴＦＥ
の混練物である電極物質10を形成して成るガス電極11が
設置され、該ガス電極11により前記電極物質10側の溶液
室12と基材９側のガス室13とに区画されている。前記溶
液室12の下壁及び上壁にはそれぞれ希薄苛性ソーダ水溶
液供給口14及び飽和苛性ソーダ水溶液取出口15が、又前
記ガス室13の側壁及び下壁にはそれぞれ酸素含有ガス供
給口16及び酸素含有ガス取出口17が形成されている。
【０００５】この電解槽の陽極室３に飽和塩水供給口６
から飽和塩水を、又溶液室12に希薄苛性ソーダ水溶液供
給口14から希薄苛性ソーダ水溶液を、更にガス室13に酸
素含有ガス供給口16から空気等の酸素含有ガスを供給し
ながら電解を行うと、前記ガス電極11がシート状の基材
９に電極物質10の層を形成しただけであるため、高い電
解液温度及び生成する濃厚な苛性ソーダ水溶液により損
傷を受け前記基材９や電極物質10が劣化しやすく長期間
の運転には耐えきれなくなる。
【０００６】図１に示すこのタイプの電解槽の欠点を解
消するために、ガス電極により陰極室内を区画するので
はなく前記ガス電極をイオン交換膜と一体化して苛性ソ
ーダを得る電解方法も提案されている（特公昭61−6155
号）。この方法によるとガス電極が強化されるため機械
的な脆さは克服できるものの、高濃度の苛性ソーダが陰
極表面つまりイオン交換膜の近傍又は表面上で生成する
ため、生成苛性ソーダがイオン交換膜を透過して陽極室
側に浸透し、苛性ソーダ生成の電流効率が低下し、更に
通常アルカリ耐性を有しない陽極室部材の損傷が生ずる
恐れが大きい。更にイオン交換膜表面で生成する苛性ソ
ーダはガス電極を透過させて分離回収する必要があり、
十分なガス供給を行いながら、前記苛性ソーダの回収を
行うことは極めて困難である。
【０００７】
【発明の目的】本発明は、前述の従来技術の問題点を解
消し、使用するガス電極を強化しかつ生成する苛性ソー
ダの陽極室への透過も効果的に抑制できる塩水の電解方
法を提供することを目的とする。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】本発明は、イオン交換
膜により陽極室と陰極室に区画され該陽極室及び陰極室
にそれぞれ多孔性陽極及び導電性多孔体に接合したガス
電極を配置した電解槽の前記陽極室及び陰極室にそれぞ
れ塩水及び酸素含有ガスを供給して電解を行い、前記陽
極室及び陰極室でそれぞれ塩素ガス及び苛性ソーダ水溶
液を得る塩水電解方法において、前記ガス電極を気液透
過性とし前記イオン交換膜に接触させることを特徴とす
る塩水電解方法及び該方法に使用可能な電解槽である。
【０００９】以下本発明を詳細に説明する。本発明で
は、従来のガス電極−イオン交換膜一体型の電解槽の欠
点である生成する濃厚苛性ソーダ水溶液がイオン交換膜
とガス電極の界面近傍に残留し該イオン交換膜を透過し
て陽極室側に浸透することを防止するために前記ガス電
極を従来の気液不透過性に代えて気液透過性とする。こ
れにより従来の電解槽ではガス電極を透過して陰極室側
に透過しにくく陽極室側に浸透しがちであった生成苛性
ソーダを前記ガス電極を通して陰極室側に透過させ容易
に回収することが可能になる。これにより苛性ソーダ生
成の電流効率は高く維持され更にアルカリ耐性のない陽
極室部材を保護することができる。
【００１０】本発明ではガス電極が気液透過性を有する
ことが必須であり、この点において従来の気液不透過性
のガス電極と根本的に異なっている。従って本発明で使
用するガス電極は従来の製造方法で製造することはでき
ず、特別な製法に依らなければならない。該製法は特に
限定されるものではないが、例えば数μｍから数10μｍ
の微細孔を有するカーボンクロス、金属繊維、金属焼結
体のような導電性材料を基材として使用し、この基材の
片面及び両面に炭素粉末とＰＴＦＥのような撥水性材料
の混合物を塗布し焼成してガス拡散層を形成し、更にイ
オン交換膜と接触する面に白金や銀等の触媒を熱分解法
等により担持しあるいは触媒を担持した炭素粉末とＰＴ
ＦＥの薄層を形成して本発明で使用可能なガス電極を製
造することができる。
【００１１】該ガス電極に給電するための導電性多孔体
は耐アルカリ製の材料で製造される。ステンレススチー
ルやニッケル等の金属を使用することが好ましいが、炭
素材料を使用しても良い。その形状はエキスパンドメッ
シュ、ウォーブンメッシュ、パンチングプレート、金属
繊維製ウェブ、クロスタイプ等が望ましく、金属焼結体
や商品名セルメット（住友電工株式会社製）として市販
されている金属発泡体も好適に使用できる。イオン交換
膜としては米国デュポン社製の塩水電解用膜例えばナフ
ィオン（商品名）901 、90209 及び961 等を使用でき
る。旭硝子株式会社製の高濃度ソーダ用イオン交換膜Ｆ
Ｘ−50も高濃度苛性ソーダに対して耐性を有し、好適に
使用することができる。
【００１２】このような部材から電解槽が組み立てら
れ、該電解槽は水平方向又は垂直方向のいずれに配置し
ても良いが、水平に配置する場合にはイオン交換膜の下
方に陰極室が位置するようにして生成する苛性ソーダが
ガス電極に滞留しにくくすることが好ましい。又陰極室
に供給される酸素含有ガス例えば空気、酸素富化空気及
び酸素は予め加湿しておくことが望ましく、該加湿度を
コントロールすることにより生成する苛性ソーダの濃度
を調節することができる。更に空気中の炭酸ガスは予め
除去しておくことが好ましい。
【００１３】このように構成された電解槽の陽極室に飽
和塩水を、かつ陰極室に希薄苛性ソーダ水溶液と酸素含
有ガスを供給しながら通電して電解を行うと、陽極室で
は供給される塩水から塩素ガスが生成し、陰極室では水
素イオンが酸素と反応して水に変換されて水素ガス発生
が抑制されるとともに、イオン交換膜と接触するガス電
極の触媒上で苛性ソーダが生成する。この苛性ソーダは
ガス電極が気液透過性であるため、該ガス電極を透過し
てガス電極の背面の陰極室内に移行し容易に陰極室外に
取り出される。又この際、前記ガス電極がイオン交換膜
と一体化せずに単に接触しているだけであるため、イオ
ン交換膜内で苛性ソーダが生成することがなく、陽極室
への苛性ソーダの透過は更に確実に防止される。又ガス
電極とイオン交換膜が接触しガス電極がイオン交換膜と
一体化された場合と同様に強化されているため、長期間
使用しても機械的に劣化することが殆どなく、安定した
電解操作を継続して行うことができる。更にガス電極−
イオン交換膜一体型電解槽の場合と２室型電解槽である
ため、３室法の場合と比較して電解槽自体及び配管を簡
略化することができる。
【００１４】次に添付図面に基づいて本発明に係わる塩
水電解槽の一例を説明する。図２は、本発明に係わる塩
水電解槽の一例を示す縦断正面図である。電解槽21はイ
オン交換膜22により陽極室23と陰極室24とに区画されて
いる。陽極室23内には多孔性の陽極25が前記イオン交換
膜22の近傍に設置され、かつ陽極室23の側壁の下部及び
上部にはそれぞれ飽和塩水供給口26及び淡塩水取出口27
が形成され、更に陽極室23上壁には塩素ガス取出口28が
形成されている。
【００１５】陰極室24内には前記イオン交換膜22に接触
して、多孔質シート等の基材29上に炭素材料やＰＴＦＥ
の混練物である電極物質30を形成して成る気液透過性の
ガス電極31が設置されている。前記陰極室24の側壁及び
下壁にはそれぞれ酸素含有ガス及び希薄苛性ソーダ水溶
液供給口32及び酸素含有ガス及び飽和苛性ソーダ水溶液
取出口33が形成されている。
【００１６】この電解槽の陽極室23に飽和塩水供給口26
から飽和塩水を、又陰極室24に供給口32から希薄苛性ソ
ーダ水溶液及び酸素含有ガスを供給しながら電解を行う
と、ガス電極31の電極物質30表面で生成する苛性ソーダ
が気液透過性である該ガス電極31を透過して陰極室24側
に浸透しイオン交換膜22を透過して陽極室23側に浸透す
ることが殆どないため、生成する苛性ソーダのロスが無
くなり、効率良く苛性ソーダを製造することが可能にな
る。
【００１７】
【実施例】次に本発明に係わる塩水電解方法による苛性
ソーダ製造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。
【００１８】
【実施例１】陽極としてチタン製エキスパンドメッシュ
（長径８ｍｍ、短径3.6 ｍｍ、板厚1.2 ｍｍ）に酸化ル
テニウムと酸化チタンから成る被覆をルテニウムとして
８ｇ／ｍ2 となるように熱分解法により形成した。陰極
基材として米国ゾルテック社製カーボンクロスＰＷＢ−
３を使用し、該基材にカーボン粉末（米国キャボット社
製ＸＣ−72）と、テフロン懸濁液（三井デュポンフロロ
ケミカル株式会社製、30Ｊ）の混合物を塗布しかつホッ
トプレスした。更にこの基材の片面に塩化白金酸のアリ
ルアルコール溶液を塗布し300 ℃で熱分解して触媒層を
形成した。又陰極の導電性多孔体としてニッケルセルメ
ット（住友電工株式会社製）を、イオン交換膜としてナ
フィオン901 （米国デュポン社製）をそれぞれ使用し
た。
【００１９】これらの各部材を、陰極用導電性多孔体−
ガス電極（陰極）−イオン交換膜−陽極の順に、ガス電
極の触媒層がイオン交換膜に接触するように設置して有
効面積が１ｄｍ2 である図２に示すテストセルを構成し
た。陰極室に80℃で加湿した酸素ガスを、陽極室にキレ
ート精製処理した飽和食塩水を供給し、80℃、30Ａ／ｄ
ｍ2 の条件で電解したところ、セル電圧は2.30Ｖであ
り、陰極側からは25％の苛性ソーダが93％の電流効率で
得られた。50日間連続して運転を行ったが、その間に性
能の劣化は見られなかった。
【００２０】
【比較例１】陰極として市販の気液不透過性ガス電極
（田中貴金属工業株式会社製）を使用して図１に示す通
り陰極室を溶液室とガス室に区画したこと以外は実施例
１と同様にテストセルを構成した。実施例１と同一の電
解条件で電解したところ、セル電圧は当初2.30Ｖであっ
たが、運転開始後10日目から上昇しはじめ運転開始後30
日で3.0 Ｖを越えたため、電解を停止した。又10日目頃
から陰極のガス室の排水から苛性ソーダがリークするよ
うになった。解体したところガス電極に亀裂が入ってお
り、溶液室の苛性ソーダがリークしていたことが判っ
た。
【００２１】
【発明の効果】本発明は、イオン交換膜により陽極室と
陰極室に区画され該陽極室及び陰極室にそれぞれ多孔性
陽極及び導電性多孔体に接合したガス電極を配置した電
解槽の前記陽極室及び陰極室にそれぞれ塩水及び酸素含
有ガスを供給して電解を行い、前記陽極室及び陰極室で
それぞれ塩素ガス及び苛性ソーダ水溶液を得る塩水電解
方法において、前記ガス電極を気液透過性とし前記イオ
ン交換膜に接触させることを特徴とする塩水電解方法及
び該方法に使用できる装置である。
【００２２】本発明ではガス電極が気液透過性であるた
め、イオン交換膜と接触するガス電極の触媒上で生成す
る苛性ソーダが該ガス電極を透過してガス電極の背面の
陰極室内に移行し容易に陰極室外に取り出される。又こ
の際、前記ガス電極がイオン交換膜と一体化せずに単に
接触しているだけであるため、イオン交換膜内で苛性ソ
ーダが生成することがなく、陽極室への苛性ソーダの透
過は更に確実に防止される。又ガス電極とイオン交換膜
が接触し強化されているため、長期間使用しても機械的
に劣化することが殆どなく、安定した電解操作を継続し
て行うことができる。更にガス電極−イオン交換膜一体
型電解槽の場合と同様に２室型電解槽であるため、３室
法の場合と比較して電解槽自体及び配管を簡略化するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のガス電極を使用する電解槽の一例を示す
縦断面図。
【図２】本発明に係わるガス電極を使用する電解槽の一
例を示す縦断面図。
【符号の説明】
21・・・電解槽 22・・・イオン交換膜 23・・・陽極
室 24・・・陰極室 25・・・陽極 29・・・基材 30・・・電極物質 31・
・・ガス電極

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 イオン交換膜により陽極室と陰極室に区
    画され該陽極室及び陰極室にそれぞれ多孔性陽極及び導
    電性多孔体に接合したガス電極を配置した電解槽の前記
    陽極室及び陰極室にそれぞれ塩水及び酸素含有ガスを供
    給して電解を行い、前記陽極室及び陰極室でそれぞれ塩
    素ガス及び苛性ソーダ水溶液を得る塩水電解方法におい
    て、前記ガス電極を気液透過性とし前記イオン交換膜に
    接触させたことを特徴とする塩水電解方法。
  2. 【請求項２】 イオン交換膜により陽極室と陰極室とに
    区画され、陽極室内に多孔性陽極が、陰極室内に前記イ
    オン交換膜に接触して導電性多孔体に接合した気液透過
    性ガス電極がそれぞれ設置され、陽極室側に塩水供給
    口、陰極室側に酸素含有ガス供給口を有することを特徴
    とする塩水電解槽。
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