JPS59193292A - 水平型電解槽及びそれを用いる電解方法 - 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】 本発明は主としてアルカリ金属ハロゲン化物水溶液、特
に塩化アルカリ塩水溶液の電解槽に関する。更に詳しく
は、電解隔膜として陽イオン交換膜を用いた水平型電解
槽において、単位床面積当りの生産能力を大巾に向上せ
しめた電解槽及びそれを用いる電解方法に関するもので
ある。

水平型電解槽は、水平に張設された隔膜によ−って上部
の陽極室と下部の陰極室とに区画されている。水平型電
解槽の最も典型的な水銀性電解槽は、比較的高濃の水酸
化ナトリウム溶液が得られるのでこれまで広く利用され
てきた。しかし乍ら、陰極に用いる水銀が環境汚染物質
であるため、近い将来休止されるべき運命にある。

ところで従来広く活用されてきた水銀性電解槽及び附帯
装置を悉くスクラップ化することは経済的、産業政策的
にも決して好ましいことではなく、一方、当業界にとっ
ても極めて深刻な問題である。かかる状況上において１
．水銀法・電解槽及び附帯設備をスクラップ化すること
なく、他の安全な電解槽に転換することは極めて望まし
いことである。

かかる見地から、本出願人は鋭意研究を進め水銀性電解
槽を有利に陽イオン交換脱法電解槽に転換し得る技術を
開発し、先に特許出願を行なった（特願昭５７−１３１
３７７等）。

しかし乍ら、一般に水平型電解槽は単位床面積当りの生
産能率が低いという問題があり、例に改造転換した場合
においても、単位床面積当りの生産能力が大巾に低下す
る。即ち、水銀性電解槽では電流密度は１００Ａ／ｄ、
（前後が一般的であるのに対し、陽イオン交換脱法電解
槽では膜抵抗のため余り電流密度を上けると電圧か高、
くなり、従って、一般に５０　Ａ／ｄ、（程度が上限で
ある。

本発明はかかる実情に鑑み、生産能力を２倍以上増大さ
せた水平型電解槽及びそれを用いる電解方法を提供する
ものである。

即ち、本発明の第１は、実質的に水平に張設された陽イ
オン交換膜により上部の陽極室と下部の陰極室とに区画
され、前記陽極室は実質的に水平な陽極板を有してなり
、蓋体と、該陽極板を囲むように周設された陽極室側壁
と、該陽イオン交換膜の上面とにより包囲形成され、且
つ陽極液の導入口及び排出口数に陽極ガス排出口とを具
備してなり、前記陰極室は実質的に水平な陰極板と、該
陰極板を囲むように周設された陰極室側壁と、該陽イオ
ン交換膜との下面とにより包囲形成され、且つ陰極液の
導入口及び陰極ガスと陰極液との混相液の排出口を具備
してなる電解槽を上下に積み重ねた構造の水平型電解槽
を内容とし、本発明の第２は前記電解槽を用い、上部電
解槽の陰極室より排出された陰極ガスと陰極液との混相
液を気液分離した後、下部電解槽の陰極室に導入するこ
とを特徴とする電解方法を内容とするものである。

以下、本発明の実施態様を示す図面に基づいて本発明を
説明する。以下の説明において、アルカリ金属ハロゲン
化物の代表例として最も一般的である塩化ナトリウムを
、またその電解生成物として苛性ソーダをそれぞれ便宜
上用いるが、これらによりて本発明を限定する意図を表
わしたものではなく、塩化カリウム等信の無機塩水溶液
や水電解等にも直ちに適用できることは勿論である。

第１図は、本発明の水平型電解槽及び陰極液循環系統の
一例を示す概要図である。

第１図において、本発明電解槽は実質的に水平に張設さ
れた陽イオン交換膜（ａ＋（ａｉによって区分された陽
極室ｔ１＋　ｔｌ′＋と陰極室［２＋　（、ｆ＋とによ
りなる電解槽が上下に積み重ねられた構造からなる。

上下両電解槽は同一の構造を有している。即ち、陽極室
（１＋ｕ’＋は蓋体（４１（４１と、陽極板（１２）（
，１２’）を囲むように延設された陽極室側壁＋ｓ＋　
ｔｇ＋と、陽イオン交換膜（３）ｔ：１＋の上表面とに
より画成されており、陽極導電棒［６１（ｔ：＋は蓋体
（４１（ｉ）に立設された陽極懸垂装置（７）（７′）
で懸垂され、各陽極導電棒（６＋（１＋は陽極ブスバー
（ｓ＋（１＋で互いに電気的に連結されている。蓋体［
４１［４’ｌは陽極導電棒カバー＋９１　（９′）を挿
通する孔（１０）（１０′）を有し、核化（１０）（１
０’）はシー　ト（１１）（１１）により気密１こシー
ルされている。

陽極導電棒＋ｅ＋ｔｄ）の下端には陽極板（１２）（１
２’）が取付けられており、かくして陽極板（１２）（
１２’）は陽極懸垂装置（７１［７’ｌに連結されてい
るため、陽極懸垂装置＋７１　［７）を操作することに
より上下に昇降調節可能で、陽イオン交換膜（３＋（３
ｉに接触するよう配置することができる。もつとも、陽
□極板（１２）（１２’）は蓋体に立設された陽極懸垂
装置から懸垂される場合に限られず、他の方法により懸
垂あるいは支持されていても差し支えない。

さらに陽極室は少なくとも１個の陽極液導入口（１３）
（１３’）を有しており、これらは該蓋体（４）（イ）
または陽極室側壁＋ｓ＋　ｔｓｉに設けることができる
。

一方、陽極液排出口（１４）（１４’）は少なくとも１
偏設けられ、これらは該側壁［５１（ｇ）に設けること
ができる。また、該蓋体＋４＋ｔｊ＋または該側壁＋ｓ
＋　［！５’ｌの適宜箇処に陽極カス（塩素ガス）排出
口（１５）０５′）を備えている。

上記の陽極室［１１［１’ｌを構成する蓋体（４）（４
）および陽極室側壁（ｓ＋ｔｓｉとしては、水銀性電解
槽を構成する蓋体及び陽極室側壁を転用すれば良いが、
このほか塩素に耐える材質であれは特に制限はなく好適
に使用することかできる。例えはチタン及びチタン合金
等の耐塩素金属あるいは、弗素系ポリマー、硬質コム等
を使用することかできる。さらに上記金属、弗素系ポリ
マーまたは硬質コム等をライニングした鉄を用いること
もできる。

陽極反応を行なう陽極板（１２）（１２’）はグラファ
イト陽極を用いることもできるが、チタンあるいはタン
タルのような金属に、例えは白金族金属あるいは酸化白
金族金属又はそれらの混合物を有する被覆を施した不溶
性陽極が好ましい。

もちろん水銀性電解槽に用いられている陽極板を同じ寸
法、同じ形状のままで使用すると経済的である。

次いで陰極室（２＋（２’ｉは陽イオン交換膜ｔａ＋　
ｔｓｉの下表面と陰極板（１６）　（１，６’）と、該
陰極板の縁に沿って該陰極板を囲むように立設された陰
極室側壁（１７）（１７’）とにより画成される。陰極
室側壁（１７）　（１７’）は剛性を有する枠縁のこと
きもので構成することができるし、弾性を有するコム、
プラスチック等のバッキング状弾性体の如きもので構成
することも可能である。

陰極室側壁（１７）（１７’）の構成何科としては、上
記した材料の他に苛性ソーダ等の苛性アルカリに耐える
材料であれは特に制限はなく、鉄、ステンレススチール
、ニッケル、ニッケル合金等を使用できる。また、鉄基
材上に耐アルカリ性材別をライニングした材料も好適に
使用できる。さらにまたゴム、プラスチック等の材料も
使用することができる。かかる材料としては、たとえは
天然ゴム、ブチルコム、エチレンプロピレンゴム（Ｅ　
Ｉ）　Ｒ）などのコム系材料、四フッ化エチレン重合体
、四フッ化エチレンー六フッ化プロピレン共重合体、エ
チレン−四フッ化エチレン共重合体などのフッ素系ポリ
マー材料、ポリ塩化ビニル、強化プラスチック（ＦＲＰ
　）などが例示される。

本発明で使用される陰極板（］、６）（１６’）は実質
的に水平な表面を有する。陰極板（１６）（１６’）は
鉄、ニッケル、ステンレススチール等の導電性材料によ
り作ることができる。該陰極板（１６）（１６’）の表
面を、ニッケル、コバルト、白金族金属、これらの合金
又はこれらの混合物等のプラズマ溶射メソギ、等により
、水素過電圧低下処理を施すことは好ましい態様である
。

陰極液導入口（１９）　（１，９’）及び混和液排出口
（２０）（２０’）は陰極室［２］　ｔ２’＋内に該混
和液の流敞を生じせしめることかできれは良い。従って
、該混和液の流水を電解槽の長さ方向／幅方向のいずれ
に形成せしめても良いが、後者の方が導入口・排出口間
の圧力損失及び／Ｌ　（単位陰極液中に含有される陰極
ガスの比率）を小さくすることができるのでより好まし
い。この目的のためにスリット状導入口は好ましい一態
様である。水銀性電解槽の底板を転用する場合には、該
底板に予め穿設されている組立用ボルト孔をそのまま或
は適当に加工して導入口、排出口に利用しても良い。

本発明に好適な陽イオン交換膜としては、例えば賜イオ
ン交換基を有するパーフルオロカーホン重合体からなる
膜を挙けることかできる。

スルホン酸基を交換基とするパーフルオロカーホン重合
体よりなる膜は、米国のイー・アイ・テユポン・デ・ニ
モアス・アンド・カンパニー（Ｅ−１−Ｄｕ　Ｐｏｎｔ
　ｄｅ　Ｎｅｍｏｕｒｓ　＆Ｃｏｍｐａｎｙ　）より商
品名「ナフィオン」として市販されており、その化学構
造は次式に示す通りである。

かかる陽イオン交換膜の好適な当量重量は１，０００乃
至２，０００．好ましくは１，１００乃至１，５００　
であり、ここに当量重量とは、交換基当量当りの乾燥膜
の重量［Ｐ＋である。又、上記交換膜のスルホン酸基の
一部又は全部をカルボン酸基に置換した陽イオン交換膜
その他慣用されている陽イオン交換膜も本発明に適用す
ることができる。これらの喝イオン交換膜は透水率が著
しく小さく、水力学的流れを通さずに水分子３〜４個を
有するナトリウムイオンを通すのみである。

図示されていないが、上部電解槽の陰極ブスバー（１８
）は下部電解槽の陽極ブス／＜　−＋ｓｉに電気的に接
続されている。また上下両電解槽の陰極混相液排出口（
２０）（２０’）は外部に設けられた気液分離装置（２
１）にパイプライン（２３）により接続され、該分離機
（２１）から更にポンプ（２２）を経て上下両電解槽の
陰極液導入口（１９）。

（１９’）にそれぞれ接続されている。更に気液分離装
置（２１）から陰極液導入口（１９）（１９′）に至る
途中に注加水入口（２４）が設けられている。また、注
加水は前記分離装置（２１）に供給することも可能であ
る。

第１図に基ついて電解方法を説明する。はぼ飽和状態の
塩水は、陽極液導入口（１３）（１イ）より陽極室ｆｌ
　ｌ　（１’ｌに供給され、電気分解を受けて発生した
塩素ガスは陽極ガス排出口（１５）（１５’）より取り
出し、淡塩水は陽極液排出口（１４）（１４’）から排
出される。

陰極液は陰極液導入口（１９）（１９’）より供給され
、陰極室（２１（２’＋で発生する水素ガスとの混和流
となって混相液排出口（２０）（２０’）より取り出さ
れ、水素ガスと陰極液とは分離器（２１）で分離される
。ガスを分離した実質的にガスを含まない陰極液はポン
プ（２２）により該陰極液導入口（１９）（１９’）か
ら陰極室＋２＋（ｆ＋へ循環導入される。

気液分離装置（２１）及びポンプ（２２）は複数の電解
槽に対して１個でもよいし各電解槽毎に設けても良い。

電流は上部電解槽の陽極ブスバー（８）より供給され、
陰極室（２）の陰極板（１６）を通り、陰極ブスバー（
１８）より取り出され、更に下部電解槽の陽極ブスバー
（イ）に電気的に接続され、陰極室（４）の陰極板（１
６′）を経て陰極ブスバー（１ホ）より取り出される。

陽極室（１＋ｏ′＋では式、 −−ｅ ＣＩ！−−−→１／２ＣＩ！ｚ なる反応が起こり、陽極室（１）け′）のナトリウムイ
オンは陽イオン交換膜（３ｕｊ＋を通って陰極室（２＋
＋２／１に達する。一方、陰極室（２）（２）ては式、
Ｈ２Ｏ−ヨ正２１／２Ｈ２＋ＯＨ− なる反応が生起し、水素ガスを発生すると共に、陽極室
（１）（１１より陽イオン交換膜＋３１＋３’ｌを通過
して移動して来たナトリウムイオンを受けて苛性ソーダ
を生成する。

第１図において、上下両電解槽外に気液分離装置（２１
）を設置した場合を示したが、該電解槽内部やヘッダー
内部で気液分離することも可能である。また同図では２
個の電解槽を上下１こ配置した例を示したが、数が増え
ても同様である。

第２図は陰極液循環系統の他の例を示す。同図において
、上部電解槽から排出される陰極ガスと陰極液との混相
液を気液分離装置（２１）で陰極液導入口（１９’）を
経て陰極室ぼ）内に導入される。また、当然のことなが
ら、陰極混相液排出ヘッダー（２５）及び陰極液導入管
〔２６）で気液分離を行えば気液分離装置（２１）は省
略できる。

水平型電解槽においては、陰極室内で発生した陰極ガス
をいかに効果的に排出するかが極めて重要なポイントで
ある。陰極ガスの排出がうまくいかない場合には圧力変
動か起こり、膜が振動し場合によっては膜を破損するに
至る。また、陰極ガスが膜の下面に付着し、電解電圧を
高める結果となる。これらの問題を防止するため、陰極
室内には陰極液を高速（３Ｃｍ／ＤｅＣ以上）で循環さ
せ、陰極ガスを排出する必要がある。

この陰極液の循環に要するエネルギーは莫大である。第
２図の如くヘッド圧を利用し、て自然循環させることに
より、この循環に要するエネルキー量を大巾に引き下け
ることができる。また、陰極液の流通系を電解槽を直列
に繋いだ形で流すことにより、多数の電解槽を有する場
合の陰極液の全体の循環量か大巾に減少てき、循環の為
の設備費、及び運転経費の面からも極めて有利である。

更に、同一平面上に電解槽を並べ、それらの電解槽に直
列に陰極液を流した場合には、循環ポンプに近い側の電
解槽程陰極液の圧力が高くなり、この為膜を強く陽極に
押し付は膜寿命を短縮させる、陽・陰極室の圧力管理が
難しい等の問題が有るのに対し、本発明により上下多層
に設置した電解槽に陰極液を直列に流し、下方の槽の陰
極液入［」の圧力をその落差（ヘッド圧力）を利用する
ことにより、陰極室内の圧力を均一運転管理の容易化等
多くの利点かある。

叙上の通り、本発明によれは水銀性電解槽を容易に陽イ
」ン交換脱法電解？２！’に転換でき、電解槽０〕ろな
らずフスバー、整流器、淡塩水処理設備、塩水系設備等
殆ど全ての現存設備をスクラップ化することなく効果的
に転用できる。更に、本発明によれ（Ｊ単位床面積当り
の生産能力を飛躍的に増大化することができろのみなら
ず、エネルキーコストを大巾に引き下けることか可能で
、その有用性は極めて犬である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電解槽の実施態様及び陰極液循環系統
を示す概要図、第２図は陰極液循環系統の他の実施態様
を示す。 １．１′・・・・−陽極室　　　　　　２．２′・、・
陰極室３．３　−・・陽イオン交換膜　　４，４′・・
−蓋体５．５・・・陽極室側壁　　　　６．６・・・・
陽極板７．７・・・−陽極懸垂装置　　８．８′・・・
・・陽極ブスバー９．９・・・陽極導電棒カバー１０．
　＞、ｏ′・・・・孔１１　、１１・・・・シート１２
．１２’・・・重陽極板１３．１３・・・・・陽極液導
入口　　１４．１４’・・・・・陽極液排出口１５．１
．５・・　−陽極ガス排出口　１６．１６’・・・・・
・陰極板１．７．１７・・・・陰極室側壁　　　１８　
、１．８’・・・・陰極ブスバー１９．１９’・・・・
・陰極液導入口　　２０　、２０’・・・・・・陰極混
相液排出口２１　、２］、’・・・・・−気液分離装置
　　２２・・・・・・・・・・ポンプ２３・・・・・・
・・・・・パイプライン　　２４・・・・・・・・・注
加水入目特許出願人　鐘淵化学工業株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、実質的に水平に張設された陽イオン交換膜により上
   部の陽極室と下部の陰極室とに区画され、前記陽極室は
   実質的に水平な陽極板を有してなり、蓋体と、該陽極板
   を囲むようζこ周設された陽極室側壁と、該陽イオン交
   換膜の上面とにより包囲形成され、且つ陽極液の導入口
   及び排出日並に陽極ガス排出口とを具備してなり、前記
   陰極室は実質的に水平な陰極板と、該陰極板を囲むよう
   ｌこ周設された陰極室側壁と、該陽イオン交換膜との下
   面とにより包囲形成され、且つ陰極液の導入口及び陰極
   ガスと陰極液との混相液の排出口を具備してなる電解槽
   を上下に積み重ねた構造の水平型電解槽。 ２　上＠Ｓ電解槽の陰極ガスと陰極液との混相液排出口
   と下部電解槽の陰極液導入口とをパイプラインにより接
   続してなる特許請求の範囲第１項記載の電解槽。 ３、　パイプラインの途中に気液分離装置を設けてなる
   特許請求の範囲第２項記載の電解槽。 ４　実質的に水平に張設された陽イオン交換膜により区
   画された上部の陽極室と下部の陰極室とからなる電解槽
   を上下に積み重ねて構成された水平型電解槽を用い、上
   部電解槽の陰極室より排出された陰極ガスと陰極液との
   混相液を気液分離した後、下部電解槽の陰極室に導入す
   ることを特徴とする電解方法。