JPS59182984A - 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】 〔開示の摘要〕 寸法安定陽極と、前記陽極を陰極室から隔てる無孔イオ
ン選択性隔膜と、陰極室の導電壁と隔膜との間に伸長し
陰極室の壁と前記隔膜との間に電流を伝える陰極室内の
ばらばらの陰極物質の多孔性の静止ベッドを備えた電解
槽を開示する。この電解槽は電極間隙を実質的に隔膜の
厚さに減じ、隔膜を陽極に対して押し付けるものである
。従って全電極面積に亘って電流密度を頗る均一なもの
とし、他種の電解槽で生ずる局部的な機械的電気的応力
による隔膜の性能の低下を来たすおそれのある電流密度
の局部的な差異をなくし、有効陰極面から陰極室の室壁
へ電流を導く方法を提供するものである。

〔先行技術とこの発明の目的〕

この発明は、概略すると、イオン選択性隔膜で被覆した
陽極を具備する電解槽であって、陰極が小さな導電性粒
子から成る静的多孔性ベッドで構成され、そのベッドが
陰極室の室壁と隔膜壁との間に伸長し、前記陽極に対し
て前記隔膜を押し付けている。より詳細に述べると、こ
の発明はハロゲン化アルカリ金属の水溶液の電解槽に関
するものであるが、ＨＣＩ溶液の電解、水の電解、有機
および無機酸化および還元など、電解条件下で分解を行
う塩類の電解のような他の電解作用を実行するのにも用
いることができる。

最近、従来からのアスベスト隔膜の代りにイオン交換膜
を使用する電解槽が、とくにプラインの電解用として開
発されている。イオン交換膜は作動状態にあって導電性
であるが、液体およびガスの流体力学的の流れを透過し
ない。作動に当って、ハロゲン化アルカリ金属を陽極室
に導入すると、ガス状ハロゲンが陽極の表面に生ずる。

アルカリ金属イオンは陽イオン膜を選択的に通過し、ア
ルカリ金属イオンが水の電解により陰極に生ずる水酸基
と組み合わされて水酸化アルカリ金属を生ずる。

陽イオン膜を備えた電解槽は従来の隔膜式電解槽よりも
多くの利益を備えている。陽イオン膜を備えた電解槽は
、水酸化アルカリ金属の比較的純　　　　′粋な溶液が
できるので、多孔性隔膜の場合のように水酸化物を後で
分離して精製しなければならないようなブラインで希釈
されることがなく、電解法を頗る効果的かつ簡易に行え
る。

無孔隔膜の特性を十二分に活用するためには、電極間の
距離（すなわち電極間隙）を最小限に短縮することが望
ましく、このように短縮すると作動電圧に顕著な効果が
あり、結局は電解処理のエネルギ効率にきわたった効果
がある。

市販の隔膜は電流密度に鋭敏で、これはその効果的な作
動についである種の望ましい限度内に保たなければなら
ない。　　− 電流密度は隔膜を破損させてしまうであろう機械的およ
び電気的応力の発生を回避するよう全面に亘って殆んど
一定にすべきものである。

周知の隔膜式電解槽においては、以上に挙げたような助
変数は構造上の許容限度に大きく左右されるもので、市
場の電解槽の電極面の寸法からして、電極スペースが（
数ミリメートル程度の）きわめて小さなものに関して、
陽極面と陰極面との厳密な平行関係に対して回避するこ
とのできない偏差も隔膜の表面についての電流密度に多
少の変動を招ねくものである。その結果として、隔膜の
各種の領域で局部的に電流密度を補正しようとした従来
の試みは不首尾に終っている。

この発明力実施態様によれば、ハロゲン化アルカリ金属
の水溶液の電解に特に適する陽イオン隔膜電解槽を提供
するものであって、その電極スペースは周知の電解槽の
それとくらべて遥かに小さく、電極スペースは電極面全
面ＩＣ亘って一定であり、しかも、こうした特性は電解
槽に厳格な機械的公差を加えるものでなく、かえって従
来の厳格な機械的公差を無用のものとするものである。

この発明の目的は電極面と電解槽の容積との比が頗る高
比率である隔膜式電解槽を提供することにある。

この発明の目的は陰極室に調節した度合の水分を送り込
んで隔膜の陰極側の導電率を維持することにある。

この発明の目的はまた陰極室に送り込む水分の量を加減
して陰極室の水酸化アルカリ金属の濃度を調節すること
にある。

この発明の以上に述べた以外の目的と利益とはさらに下
記によって明確にする。

この発明の電解槽の好ましい実施態様のものは陰極液の
環境内で腐食しない鋼その他の導電性物質製の陰極容器
から成り、その容器の上端は陽極分極条件下で不動態で
あるチタンその他のパルプメタルの板またはカバーで閉
塞されており、チタンの力、バー板には孔が設けてあっ
て少くとも１本、望ましくは一連の管状陽極がその孔に
溶着してあって、はとんど容器の高さ全体に伸長し、管
状陽極の管壁には（チタン板に溶接した附近の管壁の上
部を除いて）穿孔してあって液体およびガスが透過する
ようにしである。

陽極は寸法安定のもの、主にチタンその他のバルブメタ
ル製で、その活性面の少くとも一部に陽極条件に耐え不
動態でない、導電性電気触媒の被覆、好ましくは白金、
パラジウム、ロジウム、ルテニウム及びイリジウム、ま
たはその酸化物または混合酸化物の被覆が施しである、
管状陽極の下端は不活性物質、好ましくはプラスチック
類の栓で閉塞してあって、同心のねじ孔があけである。

管状陽極の透過することの出来る管壁はその外部を隔膜
ですつかり覆ってあって管状陽極の内側を陽極室に形成
させている、 陰極容器の下端は板、好ましくは不活性のプラスチック
の板で閉塞してあり、数多くの管状陽極の内部にプライ
ンその他の陽極液を供給する装置、主としてプラスチッ
ク類の導入管が設けてあって、この管のフランジには容
器の底板なシールするフランジを備えている。陽極液は
管状陽極の閉塞栓のねじ孔にねじ込んだ管状継手を経て
送られる。

好ましい実施態様の容器には陰極ガスを排出する排出口
がその上部に設けてあり、その下部には陰極液排出用の
排出口と希釈陰極液または水を陰極室に再循環する導入
管が設けである、容器のカバーに溶接した陽極はカバー
の孔を経て容器の上部の室と連通し、この上部室にて陽
極ガスが電解液から分離し排出口から脱出しガス回収系
装置に送られ、電解液は電解槽に再び送り込まれる以前
に再飽和系装置へ再循環される、 電解槽の陰極は小片、小球、ボール、円筒、ラシヒリン
グ、金属綿、その他力粒子状の、ばらばらの導電性物質
製の多孔性静止ベッドから成っていて、これら粒子が容
器にぎっしりと詰まっており少くとも隔膜で被覆した管
状陽極の透過壁の高さに達している。陰極物質の充填物
は容器の内壁と数多くの管状陽極上の隔膜の外面とに接
触しており隔膜を押し付けている。導電性陰極充填物質
はグラファイト、鉛、鉄、ニッケル、コバルト、バナジ
ウム、モリブデン、またはその合金、金属間化合物、金
属の水素化物、炭化物および窒化物、または導電性が良
好で陰極条件に耐えるその他の物質とすることができる
。

鉄、ニッケル及びその合金のような低水素過電圧を呈す
る物質はブラインの電解に特に適する、これに反して、
たとえば、酸性硫酸塩陰極液を陰イオン隔膜を用い陽極
に酸素を発生させてＦｅｍをＦｅＴＴに還元するには鉛
および鉛合金のような高水素過電圧の粒子状物質が好ま
しい。陰極充填物質には前述した導電性で耐陰極性物質
の層を被覆したプラスチック、セラミック、その他の非
導電性物質を含めることもできる。

管状陽極を溶着するチタン板またはカバーは絶縁ガスケ
ットで陰極室から絶縁されている。それは電流分布回路
網の正の端子に接続してあり、陰極室は電流分布回路網
の負の端子に接続しである。

陰極充填物は陰極的に分極され陰極としての機能を果し
、陰極物質の静止ベッドの多孔度は陰極ガスを急速に排
出させるに役立つものであって陰極容器の内壁を陰極的
に保護するのに寄与している。

電極のスペースは隔膜の表面に隣接するベッドの粒子に
よって表わされる陰極物質の幾何学的＋ｃ不確定な、そ
して隔膜を付着させる管状陽極の透過壁のメツシュの幾
何学的に不確な電解液流東線の局部的偏向によって隔膜
の厚みより狭ばまれている。

陰極充填物質と陽極との間のスペースは電解処理時には
本質的に一定になっている。

以上の電解槽の構成によって、機械的で電気的応力が生
じて隔膜を破壊する恐れのある急激な局部的電流密度の
差異を招ねくことなく、全電極匍積に亘って均等な電流
密度を生ずる。

複数本の管状陽極を具備するこの発明の電解槽の好まし
い実施態様のものは、電極面と電解槽によって占められ
る容積との比が従来の市販の隔膜電解槽より遥かに大き
いにもかかわらず、頗る小型であるという利点がある。

この発明の好ましい実施態様の図面は、電流密度が極め
て均等であり、コストが低いので好ましい長方形の容器
に円管の陽極を用いたものを示しである。しかし、陽極
管は他の形状、たとえば長円形、長方形、六角形、その
他の多角形のものを用いることができ、これらの形状は
この明細書中「管」と述べる範ちゅうに入るもので、容
器も長方形、円筒形その他の形とすることが出来るもの
である。円筒形容器内に１本の同心の円筒形陽極を収納
したものはこの発明の実施に当って余り良い例とはなら
ないが、この実施態様でも多数のセルを用いれば所望の
容量を達成することができろ。

この発明の電解槽を塩素の製造に関連して説明するが、
他の製品を生産する電解にも適用することが出来るもの
である。

第１図に示すように、電解槽は鋼またはニッケル、ある
いはその合金、あるいはその他の導電性陰極的に耐える
物質製の長四角形の陰極容器１がら成っている。容器１
１Ｃボルト締めしたチタンその他陽極的に不動態のバル
ブメタル製の力チク−２が容器を頂部で閉じている、絶
縁ガスケット３が陰極容器１とチタンカバー２の間に設
けである。

チタン製の管状陽極４がカバー２の孔に溶着してあって
図面に示すようにカバー」二方に突出している。管状陽
極４の管壁には孔その他の穿孔が設けてあり、これらの
孔はカバー２より僅かに下方から陽極４の底部に設けら
れている。陽極の穿孔部６は無孔の頂部に網状または拡
張したチタン板を溶着したものとするが、あるいは頂部
と一体に構成させることができる。管状陽極４の穿孔部
６の表面には電気触媒被覆を適当に被覆させる、この被
覆は陽極条件に対して非不動態で耐えるもの、主に貴金
属または貴金属の酸化物を含有するものである、管状陽
極４はその下端をチタン製の栓または閉塞体７を溶着し
て閉塞するか、あるいは第１図に示すように、同心のね
じ孔７ａを設けたＷＣなどのような耐薬品性プラスチッ
ク類とすることが好ましい。

好ましくは管状の陽イオン隔膜８が陽極４上にかぶせて
あり、陽極の無穿孔頂部と、プラスチック類のバンド９
で栓７の円筒外面に締め付けである。この取り付は方は
、通常のフィルタ・プレス電解槽では面倒な隔膜と陽極
４の穿孔部との間の流体シールを容易かつ完全に果すも
のである、陽イオン隔膜８は陽イオンを透過し、液体と
ガスの流体力学的な流れを透過することのないものとす
ることが好ましい。その隔膜用物質として適当なものは
スルホン酸基を含有するフッ化重合体または共重合体で
ある。この種の物質は頗る可撓性であって射出するが或
は平らなシートをホット接着して管状のものにされる。

この種隔膜の厚さは１０分の１ミリメートル程度のもの
である。

容器】を１８０°回動して充填を容易にし、陰極物質１
０を詰める。次で容器を陽極４の各々の基部のところに
穿孔した長四角形の板１１で閉塞する。この板は不活性
のプラスチック類とすることが好ましい。これまた不活
性のプラスチック類の長四角形のブライン分配箱１２が
板１１に溶着してあり、ブライン導入用開口】４を備え
た閉塞板１３で閉塞しである、板１１と長方形の容器］
のフランジ２７の底の間にガスケットを設けろことが出
来る。板１】のフランジ２７は容器１の底フランジにボ
ルト付けすることができ、閉塞板１３は分配箱１２の底
にポル、ト付げすることができる、ブライン分配箱は管
状コネクタ１５で陽極４の内部に連絡されている。この
コネクタの一端はフランジ付で、閉塞栓７のねじ孔７ａ
にねじ込んである。コネクタ１５のフランジとブライン
分配箱】２の間にシールまたはガスケットか設けである
、陰極室には管状陽極の透過できる部分６の頂部に達す
るところまで粒子状物質が詰めである。

陰極室には粒状層１０の高さより高い部位に、水素排出
用の１個以上の排出口１７が設けてあり、その下部には
陰極液排出用の可調節グーズネック型排出口１８が設け
である。

粒子状物質１０の上面より上部に散水管すなわちスプレ
ー管２４が容器の全長に亘って水平に伸長していて、こ
の管には一連の孔が設けてあり陰極室内に生じた水酸化
アルカリ金属の濃度を希釈調節するため陰極室に水また
は陰極液を加えるようにしである。

陰極に生じた水酸化物を希釈し電解槽から流出する陰極
液中の水酸化物濃度を２５（重量）％ないし４３（重量
）係内に保つために散水管２４を経て陰極室内に水を絶
えず添加することが望まし℃λ。

管状陽極４の各々の頂部は電解槽容器１の上部全体に亘
って伸長する長四角形のタンク１９に接続しである。タ
ンク１９内の電解液の液位は電解液排出用グーズネツク
型排出管２０で一定に維持される。管２０から排出され
る電解液は電解液導入管１４を経て電解槽内に再循環さ
れろ前に再飽和系装置に送られる、 陽極に生じたノ・ロゲンはタンク１９内の電解液から分
離し出口２１を経て排出する。

管状陽極４が溶着されている板すなわちカバー２は接続
部材２２で電源の正の端子に直結してあり、陰極容器１
は接続部材２３で負の端子に接続しである。

第２図は第１図の線Ｔｌについての断面図で第１図につ
いて述べた電解槽の諸要素が同じ符号で示しである。散
水管２４の位置は陰極容器１の陰極物質の粒子１０の高
さより高いところに破線で示しである。

図面に示しである電解槽は長四角形のケーシング内に６
本の管状陽極を具備しているが、陽極の本数は横方向に
変えることができ、多数列のものを使用することができ
、また電解槽の形状と陽極とを図面に示すものと異なら
せることもでき、この発明の精神と範囲内で他の態様の
ものとすることが出来る。

管状陽極４の円筒表面は容器１の容積に比較して頗る広
いもので、一般市場で用いられている電解槽とくらべる
とき、電解槽についての電流密度が等しいのに、小型の
電解槽で高率の生産高を挙げられる。作動に肖って、た
とえばＮａＣ１の濃ブライン（１２０〜３１０　ｇ／１
１　）を導入口１４を経て分配箱１２に送り、管状陽極
４の各陽極を経て塩素を生ずる電気触媒被覆面上を上昇
させた。

ナ）　Ｉ＋ウムイオンは陽イオン膜を通過し、水の電解
により陰極に釈放される水酸化物と混合して水酸化ナト
リウムをつくる。塩素は管状陽極４の内側に入っている
電解液中を上昇してタンク１９内に入り、そこで液体と
分離して排出口２１を経て排出する。上昇する塩素気泡
は管状陽極４内の電解液を急速に上方へ流動させる。

上昇しなかったプラインは定液位の排出口２０を通り、
入口１４を経て電解槽中に再導入されるに先立って再飽
和系装置へ再循環される。

隔膜８に隣接する多孔性陰極ベッドの表面上に釈放され
た水素は粒状床１０を経て陰極容器の上面に集まり、そ
こから排出口１７を経て排出される。水酸化す）　ＩＪ
ウム溶液は可調節グーズネツク型排出口】８を経て排出
される。可調節グーズネック型排出口】８は陰極液の液
位を陰極ベッド１０の頂部と同じ高さに維持する。

陰極液は電解槽の外部に配設されている水酸化す）　Ｉ
Ｊウムの回収系装置を経て循環され、流出する希釈水酸
化す）　ｌ］ウム溶液は散水管２４を経て陰極室に再導
入される。

作動温度は３０°と１００℃の間で変更することができ
るが、約８５℃に保つことが好ましい。陽極液のｐＨ価
は１と６の間で変えることができ、電流密度は１０００
ないし５０００〜への間とすｍ。

ることか出来る。

この発明の電解槽を図面について説明したが、多くの変
更をこの発明の精神の範囲内に遂行できること、他の電
解処理を以上に説明した電解槽で行えること、チタンの
代りに、タンタル、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ
、タングステン、イツトリウムなどの他のバルブメタル
を電解槽を構成するのに使用できること、静止導電性粒
子物質を別の型式の電解槽に使用することができること
を電解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の好ましい実施態様の断面図で、第２
図は第１図の線Ｉ−Ｉに沿う断面図で、断面上の諸部分
は点線で示しである。 図面において主要部分は次の符号で示しである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電解液およびガス透過性陽極を収容する陽極室と、
   液体不透過性イオン交換隔膜によって隔てられた電解液
   およびガス透過性陰極を収容する陰極室と、前記陽極室
   に電解液をそして陰極室に水を供給し、前記陽極室と陰
   極室とから電解によって生成した液体またはガス生成物
   を回収する装置と、電解槽に電流を加える装置とから成
   る電解槽において、電解液およびガス透過性陰極を導電
   性であって陰極液について耐食性の多孔性充填物質の静
   止ベッドで構成し、前記ガス透過性陽極と隔膜および隔
   膜と陰極が接触状態にあることを特徴とする電解槽。 ２　多孔性充填物質を球状、小球状、サドル状、ラシヒ
   リング状、円筒状、小片状、金属ストランド状、金属綿
   状のものとした特許請求の範囲第１項に記載の電解槽。 乙、陽極を電気触媒的に被覆した多孔性パルプメタルと
   した特許請求の範囲第１項および第２項に記載の電解槽
   。 ４、隔膜を陽イオン透過性重合体フィルムとし、スルホ
   ン基を有するフッ化炭化水素重合体から成るものとした
   特許請求の範囲前記各項のいずれかに記載の電解槽。 ５、多孔性の充填陰極物質をグラフ了イト、鉛、鉄、ニ
   ッケル、コバルト、バナジウム、モリブデン、亜鉛、そ
   の合金、金属間化合物、金属の水素化、炭化、窒化化合
   物および／または低水素過電圧の物質から成る部類に属
   するものとした特許請求の範囲前記各項のいずれかに記
   載の電解槽。