JPS6239093Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案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
し、更に詳しくは、電解隔膜として陽イオン交換
膜を装着した水平型電解槽において、長期安定的
に高品質の苛性アルカリを効率良く得るための装
置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つ
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法電解槽
は、比較的高濃度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法電解槽及び附帯
装置を悉くスクラツ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、
当業界にとつても極めて深刻な問題である。かか
る状況下において、水銀法電解槽及び附帯設備を
スクラツプ化することなく、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
銀法電解槽を有利に陽イオン交換膜法電解槽に転
換し得る技術を開発し、先に特許出願を行なつた
（特願昭57−131377等）。

ところで、水銀法電解槽は一般に長辺が短辺の
数倍乃至数十倍の矩形状からなるものであり、こ
れを転用して水平型陽イオン交換膜電解槽とした
場合、陰極及び陽イオン交換膜への陰極ガス付着
の防止のため長辺に並行して陰極液を循環させる
と出口付近のガス／液比が増大し、ガス気泡同志
の会合が起こり気液が分離してしまう。このため
陰極室を中心として振動が起こり、膜を破損する
ばかりでなく、陰極液の電気抵抗を大きくし、流
れ方向に電流密度分布が生じる。また出口付近の
ガス／液比を減少させるために循環液量を増加さ
せると、陰極室内部での圧力損失が増大し膜の破
損の恐れや循環のための所要動力費のコストアツ
プが生じる。一方、表面が平坦な陰極板を用い短
辺に並行に陰極液を循環すると、ガス／液比を低
くするために膜−陰極板の距離を２〜５mmに設定
する必要があり、電解電圧を上昇させる。

本考案者らはかかる実情に鑑み鋭意研究の結
果、上記問題点を一挙に解消し得る本考案を完成
したものである。

即ち、本考案は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
の陰極室とから構成され、前記陰極室がガス・液
非透過性の略矩形状の陰極板を備え、該陰極板の
表面が短辺と並行して凸凹構造であることを特徴
とする水平型電解槽を内容とする。

以下、本考案の実施態様を示す図面に基づいて
本考案を説明する。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
によつて本考案を限定する意図を表わしたもので
はなく、その他塩化カリウム等の無機塩水溶液や
水電解等にも直ちに適用できることは勿論であ
る。

第１図は本考案の電解槽の一部切欠き正面図、
第２図は同側面断面図及び陰極液循環系統の一例
を示す概要図である。

第１図及び第２図において、本考案電解槽は幅
に対し長さの大なる、好ましくは数倍の長さを有
する長方形の陽極室１とその直下に位置する陰極
室２とより構成され、陽極室１と陰極室２とは実
質的に水平に張設された陽イオン交換膜３によつ
て区画されている。ここで「実質的に水平」とは
必要に応じて若干傾斜（例えば2/10程度までの勾
配を付与した場合）させた場合をも包含する。

陽極室１は蓋体４と、陽極導電棒６、陽極導電
棒カバー９、陽極板１２等より成る陽極を囲むよ
うに延設された陽極室側壁５と、陽イオン交換膜
３の上表面とにより画成されており、陽極導電棒
６は蓋体４に立設された陽極懸垂装置７で懸垂さ
れ、各陽極導電棒６は陽極ブスバー８で互いに電
気的に連結されている。蓋体４は陽極導電棒カバ
ー９を挿通する孔１０を有し、該孔１０はシート
１１により気密にシールされている。陽極導電棒
６の下端には陽極板１２が取付けられており、か
くして陽極板１２は陽極懸垂装置７に連結されて
いるため、陽極懸垂装置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に接触
するよう配置することができる。もつとも陽極は
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を有しており、こ
れらは該蓋体４または陽極室側壁５に設けること
ができる。一方、陽極液排出口１４は少なくとも
１個設けられ、これらは該側壁５に設けることが
できる。また、該蓋体４または該側壁５の適宜箇
処に陽極ガス（塩素ガス）排出口１５を備えてい
る。もつとも陽極ガスと陽極液を共に混相液とし
て抜き出し、陽極室の外部で気液分離し、必要に
応じ陽極液のみを循環しても良い。この場合には
陽極ガス排出口１３は不要である。

上記の陽極室１を構成する蓋体４、陽極室側壁
５、陽極導電棒カバー９およびシート１１として
は、水銀法電解槽を構成する蓋体及び陽極室側壁
等を転用すれば良いが、このほか塩素に耐える材
質であれば特に制限はなく好適に使用することが
できる。例えば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、硬質ゴム等を使
用することができる。さらに上記金属、弗素系ポ
リマーまたは硬質ゴ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はグラフアイト陽
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、例えば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。もちろん水銀法
電解槽に用いられている陽極板を同じ寸法、同じ
形状のまゝで使用すると経済的である。

次いで陰極室２は陽イオン交換膜３の下表面と
ガス・液非透過性で、表面が凸凹構造の陰極板１
６と、該陰極板の縁に沿つて該陰極板を囲むよう
に立設された陰極室側壁１７とにより画成され
る。陰極室側壁１７は剛性を有する枠縁のごとき
もので構成することができるし、弾性を有するゴ
ム、プラスチツク等のパツ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の構成材料としては、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
材料であれば特に制限はなく、鉄、ステンレスス
チール、ニツケル、ニツ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料をライニ
ングした材料も好適に使用できる。さらにまたゴ
ム、プラスチツ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、たとえば天然ゴム、ブ
チルゴム、エチレンプロピレンゴム（EPR）な
どのゴム系材料、ポリ四フツ化エチレン、四フツ
化エチレン−六フツ化プロピレンコポリマー、エ
チレン−四フツ化エチレンコポリマーなどのフツ
素系ポリマー材料、ポリ塩化ビニル、強化プラス
チツク（FRP）などが例示される。

本考案に使用される陰極板１６は鉄、ニツケル
等の導電性材料から作られる。勿論これらの表面
に水素過電圧低下処理を施すことは望ましい態様
である。水素過電圧低下処理は例えばニツケル、
コバルト、クロム、モリブデン、タングステン、
白金族金属、銀、これらの合金及びこれらの混合
物をフレームもしくはプラズマ溶射、又はメツキ
することにより為される。

本考案の陰極板１６はその表面が短辺と並行し
た凸凹構造からなる。凸凹構造は、例えば平板に
並行なみぞをけずり出す、平板に丸棒、角棒等よ
りなる細い棒状体を溶接により取り付け、又は一
体的に突設して凸凹構造とすることが出来る。更
にまた、陰極板そのものを波板を使用して作るこ
とが出来る。凸凹構造の形状は特に制限はなく、
矩形波状、梯形波状、正弦波状、円形状、サイク
ロイド状等が単独又は組合せて使用することが出
来る。また凸凹は陰極液の貫流方向に向つて必ず
しも連続である必要はなく、途中で切れていても
良い。更に波形状、凸凹構造の別の金属板を底板
の上に積層することもできる。凸凹構造は特別制
限はないが、高さ約0.5mm〜約10mm、幅約３mm〜
約３cmの帯状体の凸部を約３mm〜約20cmの間隔で
配して構成される凸凹構造が好適である。

第３図は平板状の陰極板１６上に、波形状の金
属板２４を熔接した例を示し、第４図は平板状の
陰極板１６上に丸棒２５を並行に列設した例であ
る。

本考案の陰極板は水銀法電解槽の底板を転用す
れば極めて経済的である。この場合も上記と同様
の加工により凸凹構造とすることができる。第５
図は水銀法電解槽の底板２７の表面に、予め凸凹
構造を有する金属板２６を重設した溝成である。
かかる構造とすることにより、前もつて加工、低
水素過電圧処理等を施し、現場で底板上にセツト
するだけで良いから至便である。第３図、第４図
においても、陰極板１６として水銀法電解槽の底
板２７を使用することができるのは勿論である。

本考案電解槽により電解を行なう場合、凸凹構
造の凸部の先端と陽イオン交換膜とが隣接又は接
触した構造とすることは好ましい態様である。か
くの如き構成とすることにより、膜の振動が抑え
られるのみならず、極間距離を均一にすることが
できる。

第６図は、第４図に示した陰極構造を具え、陰
極液導入口１９及び混相液排出口２０を陰極板の
水平面に対し略垂直方向に導入され、又は排出さ
れるように配した例を示す。

本考案に好適な陽イオン交換膜としては、例え
ば、陽イオン交換膜を有するパーフルオロカーボ
ン重合体からなる膜を挙げることができる。スル
ホン酸基を交換基とするパーフルオロカーボン重
合体よりなる膜は、米国のイー・アイ・デユポ
ン・デ・ニモアス・アンド・カンパニー（E.I.Du
Pont de Nemours ＆ Company）より商品名
「ナフイオン」として市販されている。また、陽
イオン交換膜は、膜強度を高めるため補強を目的
としたバツキング材を使用することは知られてお
り、該陽イオン交換膜は平滑面と凹凸面を有す
る。このような場合、少なくとも陰極面が平滑で
ある陽イオン交換膜を用いると低い線速度で低い
電圧が得られるので好都合である。

第７図は本考案の電解槽の電解液循環系統の一
例を示す概略図である。第７図に基づいて説明す
ると、塩水は、陽極液導入口１３より陽極室１に
供給され、電気分解を受けて発生した塩素ガスは
淡塩水と共に陽極混相液排出口２８より取り出さ
れる。淡塩水は淡塩水受槽２９で気液分離された
後、一部循環して電解槽内での塩水濃度やPHの均
一化を図る。また淡塩水と塩素ガスの気液分離は
該混相液排出口及び該淡塩水受槽までの導管中で
行なうことも可能である。また、図には示してい
ないが、陽極液導入口１３に接続して陽極室内の
ほぼ全長に亘つて伸びる陽極液分散管を設け、該
分散管に適宜穿設した孔より陽極液を陽極室内に
分散供給することにより、陽極室内の陽極液を均
一にすることもできる。

陰極液は陰極液導入口１９より供給され、陰極
室２で発生する水素ガスとの混相流となつて混相
液排出口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から陰極室２へ循環導入され
る。分離器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
出される。

陽極室１では式、 なる反応が起こり、陽極室１のナトリウムイオン
は陽イオン交換膜３を通つて陰極室２に達する。
一方、陰極室２では式、 なる反応が生起し、水素ガスを発生すると共に、
陽極室１より陽イオン交換膜３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。

尚陰極室内へ供給され、その中を貫流する陰極
液は水素ガスと生成した苛性ソーダを伴なつて陰
極室外へ運ばれ、分離器２１によつて水素ガスを
分離した後、再び陰極液導入口１９へ少なくとも
一部を還流せしめる循環液とすれば、苛性ソーダ
の濃度を適宜に増大することも、また途中で水を
以つて稀釈し濃度を調整することもでき有利であ
る。

以上、陰極液、陽極液の両液を循環する電解法
の一例を説明したが、陰極液のみを循環する場合
は第２図に示した如き循環系統で電解することが
できる。

叙上の通り、本考案によれば陰極室出口のガ
ス／液比を小さくできるためガス気泡の会合が起
こらず、スムースな液流を得ることができる。ま
た凸凹構造の凸部先端に膜を密接せしめ得るた
め、極間距離のコントロールが容易且つ均一に保
持でき、極間距離を実質的に膜厚と同一にするこ
とができる。更には凸凹構造金属板等を用いる場
合は、該凸凹構造金属板を取り外し、機械的加工
や水素過電圧低下処理を施すことができるから、
取り扱いに便利であり作業能率が高められる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案電解槽の実施態様を示す一部切
欠正面図、第２図は同側面断面図及び陰極液循環
系統の一例を示す概要図、第３図乃至第５図はそ
れぞれ本考案に用いられる陰極構造の実施態様を
示す断面図、第６図は第４図に示した陰極構造を
具えた本考案電解槽の他の実施態様を示す側面断
面図、第７図は陰・陽両電解液の循環系統の一例
を示す概要図である。 １……陽極室、２……陰極室、３……陽イオン
交換膜、４……蓋体、５……陽極室側壁、６……
陽極導電棒、７……陽極懸垂装置、８……陽極ブ
スバー、９……陽極導電棒カバー、１０……孔、
１１……シート、１２……陽極板、１３……陽極
液導入口、１４……陽極液排出口、１５……陽極
ガス排出口、１６……陰極板、１７……陰極室側
壁、１８……陰極ブスバー、１９……陰極液導入
口、２０……陰極混相液排出口、２１……分離
器、２２……ポンプ、２３……パツキング、２４
……波形状金属板、２５……丸棒、２６……凸凹
構造の金属板、２７……底板、２８……陽極混相
液排出口、２９……淡塩水受槽。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ 実質的に水平に張設された陽イオン交換膜に
   より区画された上部の陽極室と下部の陰極室と
   から構成され、前記陰極室がガス・液非透過性
   の略矩形状の陰極板を備え、該陰極板の表面が
   短辺と並行して凸凹構造であることを特徴とす
   る水平型電解槽。 ２ 陰極板の凸凹構造が平板表面を堀削加工して
   なる実用新案登録請求の範囲第１項記載の電解
   槽。 ３ 陰極板の凸凹構造が平板上に棒状体を並列に
   固定してなる実用新案登録請求の範囲第１項記
   載の電解槽。 ４ 陰極板の凸凹構造が平板上に凸凹構造の金属
   板を積層してなる実用新案登録請求の範囲第１
   項記載の電解槽。 ５ 凸凹構造の凸部の先端が陽イオン交換膜と接
   触している実用新案登録請求の範囲第１項乃至
   第４項に記載のいずれかの各項に記載の電解
   槽。 ６ 陽イオン交換膜の陰極室側が平滑面である実
   用新案登録請求の範囲第１項記載の電解槽。 ７ 電解槽が水銀法電解槽から転換されたもので
   ある実用新案登録請求の範囲第１項記載の電解
   槽。