JPS6343473B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6343473B2
JPS6343473B2 JP56079359A JP7935981A JPS6343473B2 JP S6343473 B2 JPS6343473 B2 JP S6343473B2 JP 56079359 A JP56079359 A JP 56079359A JP 7935981 A JP7935981 A JP 7935981A JP S6343473 B2 JPS6343473 B2 JP S6343473B2
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JP
Japan
Prior art keywords
exchange membrane
anode
ion exchange
electrolysis
porous layer
Prior art date
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Expired
Application number
JP56079359A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS57194284A (en
Inventor
Kimihiko Sato
Yasuo Sajima
Koji Saito
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Glass Co Ltd filed Critical Asahi Glass Co Ltd
Priority to JP56079359A priority Critical patent/JPS57194284A/en
Publication of JPS57194284A publication Critical patent/JPS57194284A/en
Publication of JPS6343473B2 publication Critical patent/JPS6343473B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/34Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis
    • C25B1/46Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis in diaphragm cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、電解する方法、特には塩化アルカリ
水溶液、水、塩酸等の水性液を加圧しながら電解
する方法に関する。 以下には、特に塩化アルカリ電解の場合に限つ
て詳しく説明するが、本発明が塩化アルカリ電解
だけに限られるものでないことは勿論である。 塩化アルカリ水溶液を電解して水酸化アルカリ
を得る方法は、近年公害防止の見地から水銀法に
代り、隔膜法が主流になりつつある。 隔膜法は、隔膜としてアスベストを用いる方法
に代り、より高純度、高濃度の水酸化アルカリを
得る目的でイオン交換膜を用いる方法がいくつか
提案されている。 他方、近年省エネルギーが世界的に進行しつつ
あり、この観点からこの種技術においては、電解
電圧を極力低くすることが望まれる。 電解電圧の低下手段としては、従来陽極や陰極
の材質、組成及び形状を考慮したり、或は用いる
イオン交換膜の組成やイオン交換基の種類を特定
化する等種々の手段が提案されている。 これらの方法は、何れもそれなりの効果はある
ものの、大多数のものは得られる水酸化アルカリ
の濃度がそれ程高くないところに上限を有し、こ
れを超えると急激に電解電圧の上昇や電流効率の
低下を来たしたり、或は電解電圧低下現象の特續
性、耐久性等が劣る等必ずしも工業的に十分に満
足し得るものばかりではなかつた。 最近、含弗素陽イオン交換膜の表面に、ガス及
び液透過性の多孔質層からなる陽極や陰極を密着
せしめた電解槽を使用して塩化アルカリ水溶液を
電解し、水酸化アルカリ及び塩素を得る方法が提
案されている。(特開昭54−112398号公報参照)
この方法は、従来この種技術においては避け難い
と考えられていた被電解液による電気抵抗や、発
生する水素や塩素ガスに基く泡による電気抵抗を
極力減らせるため、従来より一層低電圧で電解し
うる手段として優れた方法である。 この方法における陽極や陰極は、イオン交換膜
の表面に結合し、埋込むように設けられ、そして
膜と電極との接触界面で電解により発生したガス
は電極から容易に離脱し、且つ電解液が浸透しう
るようにガス及び液透過性にされている。このよ
うな多孔質の電極は、通常陽極や陰極としての活
性粒子と、これを結合する物質、更に好ましくは
黒鉛その他の導電材料が均一に混合され、薄層状
に成形された多孔質体からなつている。 しかしながら、本発明者の検討によると、この
ような電極を直接イオン交換膜に結合せしめた電
解槽を使用する場合、電解槽における例えば陽極
は、陰極室から逆拡散する水酸イオンと接触する
ため、従来の耐塩素性とともに耐アルカリ性が要
求され、必然的に特殊、高価な材質を選ばなけれ
ばならない。また、電極とイオン交換膜の寿命
は、通常大きく異なるため、両者が結合されてい
る場合には、一方の寿命の到来により両者とも配
棄せざるを得ないので、特に高価な貴金属系陽極
の場合、その経済的損失は大きい。 本発明者は、これらの不利益を有さなく、一方
では可及的に槽電圧の小さい電解方法について研
究を續けたところ、陽イオン交換膜の表面に電極
活性を有しないガス及び液透過性の多孔質層を形
成し、これを介して陽極又は陰極を配置せしめた
電解槽にて塩化アルカリ水溶液を電解した場合、
予想外に低電圧で水酸化アルカリ及び塩素が得ら
れるとともに前記目的が実質的に解消しうること
が見出された。 上記の知見は電解電圧を低下せしめるのに画期
的な手段を提供するものであるが、本発明者等は
さらにより低電圧で電解する方法について検討を
加えた結果、本発明を見出すに至つたものであ
る。 かくして、本発明はガス及び液透過性の電極活
性を有しない多孔質層を少くとも一方の面に設け
てなる陽イオン交換膜を陽極と陰極の間に配置し
てなる電解槽の陽極液及び陰極液を加圧しながら
電解する方法を要旨とするものである。 本発明の方法が何故により低電圧電解を可能と
するものか未だ、充分に解明されたわけではない
が、陽イオン交換膜の表面に設けられたガス及び
液透過性の電極活性を有しない多孔層が、加圧下
で、陽イオン交換膜表面の電気化学的特性を好ま
しく変えることによるものと本発明者等は推測し
ている。 また、本発明の方法で採用される高圧下での電
解による公知の効果、例えば、高温電解による一
層の低電解電圧の達成や、高温の電解生成物から
の熱回収による熱経済面での利点があるのも本発
明方法の副次的効果として大きなものである。 本発明に用いられる陽イオン交換膜は表面にガ
ス及び液透過性の電極活性を有しない多孔層によ
り、機械的に補強されているため通常の陽イオン
交換膜を用いるよりはより高圧に耐えうるもので
ある。しかしながら陽イオン交換膜の耐久性等か
ら考えて加圧の度合は15Kg/cm2以下にとどめるの
がよい。本発明の方法では陽極室、陰極室の圧力
を必ずしも同じにする必要はなく、任意に変えう
るものであるが、上述の理由から、その差圧は5
Kg/cm2以下にとどめるのがよい。 以下に本発明を更に詳しく説明すると、本発明
において、上記ガス及び液透過性の多孔質層を介
して配置される電極は、陽極の場合例えばチタン
やタンタル等のエキスパンデツドメタルにルテニ
ウム、イリジウム、パラジウム、白金等の白金族
金属やその合金及びそれらの酸化物を被覆せしめ
たり、或は白金、イリジウム、ロジウム等の白金
族金属やその合金、これらの酸化物から成る多孔
板、網状体等適宜公知の陽極が用いられる。そし
て、これら陽極のうち、白金族金属やその合金及
びこれら金属や合金の酸化物でチタン等のエキス
パンデツドメタルを被覆した陽極を採用する場合
には、特に低電圧での電解が可能となるので好ま
しい。 又、陰極の場合には例えば、鉄などの基体に白
金、パラジウム、ロジウム等の白金族金属やこれ
らの合金を被覆したものや、軟鋼、ニツケル、ス
テンレス等であり、これらは多孔板、金網、エキ
スパンデツドメタル等の形態で使用される。そし
て、これら陰極のうち白金族金属又は、これらの
合金やニツケルを活性成分とする陰極を採用する
場合には、特に低電圧での電解を期待し得るので
好ましい。 一方、本発明において使用されるガス及び液透
過性で耐食性を有する多孔質層は、陽極又は陰極
として、それぞれ不活性である。即ち塩素過電圧
又は水素過電圧が該多孔質層を介して配置される
電極よりも大きい材質、例えば非導電性材料から
形成される。その材質としては、例えばチタン、
ジルコニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、
マンガン、モリブデン、スズ、アンチモン、タン
グステン、ビスマス、インジウム、コバルト、ニ
ツケル、ベリリウム、アルミニウム、クロム、
鉄、ガリウム、ゲルマニウム、セレン、イツトリ
ウム、銀、ランタン、セリウム、ハフニウム、
鉛、トリウム、希土類元素等の酸化物、窒化物、
炭化物の単独又は混合物等が挙げられ、このうち
陽極側には、チタン、ジルコニウム、ニオブ、タ
ンタル、バナジウム、マンガン、モリブデン、ス
ズ、アンチモン、タングステン、ビスマス等の酸
化物、窒化物、炭化物の単独又は混合物等が好ま
しい。 陰極側には、チタン、ジルコニウム、ニオブ、
タンタル、インジウム、スズ、マンガン、コバル
ト、ニツケル等の酸化物、窒化物、炭化物の単独
又は混合物等が好ましい。 これらの材質から本発明の多孔質層を形成する
場合、上記材料は粉末乃至粒子状で使用し、好ま
しくはポリテトラフルオロエチレンなどの含フツ
素重合体の懸濁液で結合させて使用される。この
際必要ならば両者の混合を均一にするため界面活
性剤が使用される、多孔質層を形成する。これら
の混合物は、適宜層状に成形した後、イオン交換
膜表面に圧力及び熱を作用させることにより、結
合させ、好ましくは埋込まれる。 又、これら多孔質層の物性としては、陰極、陽
極側ともにほぼ同一であり、平均細孔径0.01〜
2000μ、多孔率10〜99%、空気透過係数1×10-5
〜10モル/cm2・min・cmHgを有するのが適当で
ある。 これら物性が何れも前記範囲を逸脱する場合に
は、所期の低い電解電圧を期待し得なかつたり、
電解電圧の低下現象が不安定となるおそれがある
ので何れも好ましくない。そして上記諸物性のう
ち、平均細孔径0.1〜1000μ、多孔率20〜98%、空
気透過係数1×10-4〜1モル/cm2・min・cmHg
を採用する場合には特に低電圧で安定した電解操
業を期待し得るので好ましい。 又、かかる多孔質層の厚さは、厳密には用いら
れる材質や物性等により決定されるが、一般に
0.1〜500μ、好ましくは1〜300μを採用するのが
適当である。 厚さが前記範囲を逸脱する場合には、電気抵抗
が高くなつたり、ガスの離脱が困難になつたり、
電解液の移動が困難になるので好ましくない。 本発明において、上記多孔質層を介して配置さ
れる陽極は、該多孔質層面に接触して設けられ
る。かくして多孔質層を介して設けられ、電極
は、陽極又は陰極の何れか一方だけでもよいが、
イオン交換膜の陽極側及び陰極側の両面に設けた
場合には、電解槽電圧を低下させるうえで特に好
ましい。 また、陽極又は陰極の何れか一方が、イオン交
換膜に本発明の多孔質層を介して設けた場合、そ
の対電極は、通常の塩化アルカリを製造する場合
と同様の組成及び形状のものが採用される。 実際、上記多孔質層を介して電極を設ける手段
としては、例えば多孔質層を形成する粉末をスク
リーン印刷法等でイオン交換膜に塗布後、加熱圧
着する等の手段を用いて、イオン交換膜の表面に
多孔質層を形成させ、多孔質層の表面に電極を押
しあてることなどが用いられる。 本発明に用いられるイオン交換膜としては、例
えばカルボキシル基、スルホン酸基、燐酸基、フ
エノール性水酸基等の陽イオン交換基を含有する
重合体から成り、かかる重合体としては、含弗素
重合体を採用するのが特に好ましい。イオン交換
基含有の含弗素重合体としては、例えばテトラフ
ルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン等
のビニルモノマーとスルホン酸、カルボン酸、燐
酸基等のイオン交換基に転化し得る反応性基を有
するパーフルオロのビニルモノマーとスルホン
酸、カルボン酸、燐酸基等のイオン交換基を有す
るパーフルオロのビニルモノマーとの共重合体が
好適に使用される。 又、トリフルオロスチレンの膜状重合体にスル
ホン酸基等のイオン交換基を導入したものや、ス
チレンジビルベンゼンにスルホン酸基を導入した
もの等も使用出来る。 そして、これらのうち夫々以下の(イ)、(ロ)の重合
単位を形成し得る単量体を用いる場合には、比較
的高い電流効率で高純度の苛性アルカリを得るこ
とが出来るので特に好ましい。 (イ) (―CF2―CXX1)―,(ロ)
The present invention relates to a method of electrolyzing, particularly a method of electrolyzing an aqueous liquid such as an aqueous alkali chloride solution, water, or hydrochloric acid while pressurizing it. In the following, a detailed explanation will be given particularly regarding the case of alkali chloride electrolysis, but it goes without saying that the present invention is not limited to only alkali chloride electrolysis. In recent years, as a method for obtaining alkali hydroxide by electrolyzing an aqueous alkali chloride solution, the diaphragm method has become mainstream in place of the mercury method from the viewpoint of pollution prevention. As for the diaphragm method, instead of using asbestos as a diaphragm, several methods have been proposed in which an ion exchange membrane is used for the purpose of obtaining alkali hydroxide with higher purity and higher concentration. On the other hand, energy conservation has been progressing worldwide in recent years, and from this point of view, in this type of technology, it is desired to reduce the electrolysis voltage as much as possible. Various methods have been proposed to reduce the electrolytic voltage, such as considering the material, composition, and shape of the anode and cathode, or specifying the composition of the ion exchange membrane and the type of ion exchange group used. . Although all of these methods have certain effects, most of them have an upper limit where the concentration of alkali hydroxide obtained is not very high, and if this is exceeded, the electrolysis voltage will suddenly increase and the current efficiency will increase. However, they have not always been industrially fully satisfactory, such as causing a decrease in electrolytic voltage, or poor durability and durability of the electrolytic voltage drop phenomenon. Recently, an alkali chloride aqueous solution is electrolyzed using an electrolytic cell in which an anode and a cathode made of a gas- and liquid-permeable porous layer are closely attached to the surface of a fluorine-containing cation exchange membrane to obtain alkali hydroxide and chlorine. A method is proposed. (Refer to Japanese Patent Application Laid-open No. 112398/1983)
This method enables electrolysis at a lower voltage than conventional methods because it can reduce as much as possible the electrical resistance caused by the electrolyte and the bubbles based on generated hydrogen and chlorine gas, which were considered to be unavoidable in this type of technology. This is an excellent method for doing so. In this method, the anode and cathode are bonded to and embedded in the surface of the ion exchange membrane, and the gas generated by electrolysis at the contact interface between the membrane and the electrode easily leaves the electrode, and the electrolyte is It is made gas and liquid permeable so that it can penetrate. Such porous electrodes usually consist of a porous body formed into a thin layer by uniformly mixing active particles as anodes or cathodes with a substance that binds them, preferably graphite or other conductive material. ing. However, according to the inventor's study, when using an electrolytic cell in which such an electrode is directly bonded to an ion exchange membrane, for example, the anode in the electrolytic cell comes into contact with hydroxide ions that diffuse back from the cathode chamber. In addition to conventional chlorine resistance, alkali resistance is required, and special and expensive materials must be selected. In addition, the lifespans of electrodes and ion exchange membranes are usually very different, so if they are combined, both will have to be discarded when one of them reaches the end of its lifespan. In this case, the economic loss is large. The present inventor continued research on an electrolysis method that does not have these disadvantages and has a cell voltage as low as possible, and found that the surface of the cation exchange membrane has gas and liquid permeability that does not have electrode activity. When an aqueous alkali chloride solution is electrolyzed in an electrolytic cell in which a porous layer is formed and an anode or a cathode is placed through the porous layer,
It has been unexpectedly found that alkali hydroxide and chlorine can be obtained at low voltages and the above objects can be substantially solved. Although the above findings provide an innovative means for lowering the electrolysis voltage, the present inventors further investigated methods for electrolysis at lower voltages, and as a result, they discovered the present invention. It is ivy. Thus, the present invention provides an anolyte and an electrolytic cell comprising a cation exchange membrane having a gas- and liquid-permeable porous layer with no electrode activity disposed on at least one surface between the anode and the cathode. The gist of this method is to electrolyze the catholyte while pressurizing it. Although it is not yet fully understood why the method of the present invention enables low-voltage electrolysis, it is important to note that the porous layer, which is permeable to gases and liquids and has no electrode activity, is provided on the surface of the cation exchange membrane. However, the present inventors speculate that this is due to favorable changes in the electrochemical properties of the cation exchange membrane surface under pressure. Furthermore, the known effects of electrolysis under high pressure employed in the method of the present invention, such as the achievement of even lower electrolysis voltages due to high temperature electrolysis, and the thermoeconomic advantages due to heat recovery from high temperature electrolysis products. This is also a significant secondary effect of the method of the present invention. The cation exchange membrane used in the present invention is mechanically reinforced with a porous layer that is permeable to gas and liquid and has no electrode activity on its surface, so it can withstand higher pressures than ordinary cation exchange membranes. It is something. However, considering the durability of the cation exchange membrane, the degree of pressurization is preferably kept to 15 kg/cm 2 or less. In the method of the present invention, the pressures in the anode and cathode chambers do not necessarily need to be the same and can be changed arbitrarily; however, for the reasons mentioned above, the pressure difference between them is 5
It is best to keep it below Kg/ cm2 . To explain the present invention in more detail below, in the present invention, the electrode disposed through the gas- and liquid-permeable porous layer is made of expanded metal such as titanium or tantalum, ruthenium, iridium, etc. in the case of an anode. , coated with platinum group metals such as palladium, platinum, their alloys, and their oxides, or porous plates, mesh bodies, etc. made of platinum group metals such as platinum, iridium, rhodium, their alloys, and their oxides. A known anode may be used as appropriate. Among these anodes, when using an anode coated with expanded metal such as titanium with platinum group metals, their alloys, or oxides of these metals or alloys, electrolysis can be performed at particularly low voltages. Therefore, it is preferable. In the case of a cathode, for example, a substrate such as iron coated with platinum group metals such as platinum, palladium, and rhodium or alloys thereof, mild steel, nickel, stainless steel, etc. Used in the form of expanded metal, etc. Among these cathodes, it is preferable to use a cathode containing a platinum group metal, an alloy thereof, or nickel as an active ingredient, since electrolysis can be expected particularly at low voltage. On the other hand, the gas- and liquid-permeable, corrosion-resistant porous layer used in the present invention is inactive as an anode or a cathode, respectively. That is, it is made of a material, for example, a non-conductive material, which has a greater chlorine overvoltage or hydrogen overvoltage than the electrodes disposed through the porous layer. Examples of the material include titanium,
Zirconium, niobium, tantalum, vanadium,
Manganese, molybdenum, tin, antimony, tungsten, bismuth, indium, cobalt, nickel, beryllium, aluminum, chromium,
Iron, gallium, germanium, selenium, yttrium, silver, lanthanum, cerium, hafnium,
Oxides and nitrides of lead, thorium, rare earth elements, etc.
Carbides may be used alone or in mixtures, and on the anode side, oxides, nitrides, and carbides such as titanium, zirconium, niobium, tantalum, vanadium, manganese, molybdenum, tin, antimony, tungsten, and bismuth may be used alone or in combination. Mixtures and the like are preferred. On the cathode side, titanium, zirconium, niobium,
Oxides, nitrides, and carbides of tantalum, indium, tin, manganese, cobalt, nickel, etc. alone or in mixtures are preferred. When forming the porous layer of the present invention from these materials, the above-mentioned materials are used in powder or particulate form, preferably combined with a suspension of a fluorine-containing polymer such as polytetrafluoroethylene. . At this time, if necessary, a surfactant is used to uniformly mix the two to form a porous layer. These mixtures are suitably formed into a layer and then bonded and preferably embedded by applying pressure and heat to the surface of the ion exchange membrane. In addition, the physical properties of these porous layers are almost the same on both the cathode and anode sides, with an average pore diameter of 0.01~
2000μ, porosity 10-99%, air permeability coefficient 1×10 -5
~10 mol/cm 2 ·min·cmHg is suitable. If any of these physical properties deviate from the above range, the desired low electrolytic voltage cannot be expected, or
Both are unfavorable because there is a risk that the electrolytic voltage drop phenomenon may become unstable. Among the above physical properties, the average pore diameter is 0.1 to 1000μ, the porosity is 20 to 98%, and the air permeability coefficient is 1×10 -4 to 1 mol/cm 2・min・cmHg.
It is preferable to employ this method because stable electrolytic operation can be expected especially at low voltage. In addition, the thickness of such a porous layer is strictly determined by the material used and its physical properties, but generally
It is appropriate to use 0.1 to 500μ, preferably 1 to 300μ. If the thickness deviates from the above range, the electrical resistance may increase, gas may be difficult to escape, or
This is not preferable because it makes it difficult to move the electrolyte. In the present invention, the anode placed through the porous layer is provided in contact with the surface of the porous layer. In this way, it is provided through a porous layer, and the electrode may be either the anode or the cathode, but
When provided on both the anode side and the cathode side of the ion exchange membrane, it is particularly preferable for lowering the electrolytic cell voltage. In addition, when either the anode or the cathode is provided on the ion exchange membrane via the porous layer of the present invention, the counter electrode should have the same composition and shape as in the case of producing ordinary alkali chloride. Adopted. In fact, as a means of providing an electrode through the porous layer, for example, the powder forming the porous layer is applied to the ion exchange membrane by screen printing or the like, and then the ion exchange membrane is bonded with heat and pressure. A method of forming a porous layer on the surface of the porous layer and pressing an electrode against the surface of the porous layer is used. The ion exchange membrane used in the present invention is made of a polymer containing a cation exchange group such as a carboxyl group, a sulfonic acid group, a phosphoric acid group, or a phenolic hydroxyl group, and such a polymer includes a fluorine-containing polymer. It is particularly preferable to adopt Examples of fluorine-containing polymers containing ion exchange groups include vinyl monomers such as tetrafluoroethylene and chlorotrifluoroethylene, and perfluorinated polymers having reactive groups that can be converted into ion exchange groups such as sulfonic acid, carboxylic acid, and phosphoric acid groups. A copolymer of a vinyl monomer with a perfluorinated vinyl monomer having an ion exchange group such as a sulfonic acid, carboxylic acid, or phosphoric acid group is preferably used. Further, a membrane polymer of trifluorostyrene having an ion exchange group such as a sulfonic acid group introduced therein, or a polymer having a styrene dibylbenzene introduced with a sulfonic acid group can also be used. Among these monomers, it is particularly preferable to use monomers that can form the following polymerized units (a) and (b), since highly pure caustic alkali can be obtained with relatively high current efficiency. . (a) (-CF 2 -CXX 1 )-, (b)

【式】 ここでXは弗素、塩素、水素又は―CF3であ
り、X′はX又はCE3(CF2nであり、mは1〜5
であり、Yは次のものから選ばれる。 ―P―A,―O―(CF2)―n(―P,Q,R)―A ここでPは―(CF2)―a(―CXX1)―b(―CF2)―c

あり、Qは(―CF2―O―CXX1)―dであり、Rは(―
CXX1―O―CF2)―eであり、(P,Q,R)はP,
Q,Rの少なくとも一つを任意の順序で配列する
ことを表わす。X,X1は上記と同じであり、n
=0〜1,a,b,c,d,eは0〜6である。
Aは―COOH、又は―CN,―COF,―COOR,
―COOM,―CONR2R3等の加水分解若しくは中
和により、―COOHに転換し得る官能基を表わ
す。R1は炭素数1〜10のアルキル基、Mはアル
カリ金属又は第四級アンモニウム基であり、R2
R3は水素又は炭素数1〜10のアルキル基を示す。 上記Yの好ましい代表例としては、Aが弗素を
有する炭素と結合された構造を有する例えば次の
如きものが挙げられる。 (―CF2)―xA,―O(―CF2)―xA,
[Formula] Here, X is fluorine, chlorine, hydrogen or -CF 3 , X' is X or CE 3 (CF 2 ) n , and m is 1 to 5
, and Y is selected from the following: ―P―A,―O―(CF 2 )― n (―P, Q, R)―A where P is―(CF 2 )― a (―CXX 1 )― b (―CF 2 )― c
, Q is (-CF 2 -O-CXX 1 )- d , and R is (-
CXX 1 ―O―CF 2 )― e , and (P, Q, R) are P,
This indicates that at least one of Q and R is arranged in an arbitrary order. X, X 1 are the same as above, and n
=0-1, a, b, c, d, e are 0-6.
A is -COOH, or -CN, -COF, -COOR,
Represents a functional group that can be converted to -COOH by hydrolysis or neutralization, such as -COOM, -CONR 2 R 3 . R 1 is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, M is an alkali metal or quaternary ammonium group, R 2 ,
R 3 represents hydrogen or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms. Preferred representative examples of the above Y include the following, in which A has a structure in which A is bonded to carbon containing fluorine. (-CF 2 )- x A, -O(-CF 2 )- x A,

【式】【formula】

【式】【formula】

x,y,zは共に1〜10であり、z,Rfは―
F又は炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基か
ら選ばれた基であり、Aは上記と同様である。 そして、これら共重合体から成る乾燥樹脂1g
当りの膜内カルボン酸基濃度が0.5〜2.0ミリ当量
である含弗素陽イオン交換膜を用いる場合には、
例えば苛性ソーダの濃度が40%以上であつても、
その電流効率は90%以上にも達する。そして上記
乾燥樹脂1g当りの膜内カルボン酸基濃度が1.12
〜1.7ミリ当量の場合には、前述の如き高濃度の
苛性ソーダを高電流効率で長期にわたり安定して
得ることが出来るので特に好ましい。そして、か
かるイオン交換容量を達成するには、上記(イ)及び
(ロ)の重合単位から成る共重合体の場合、好ましく
は(ロ)の重合単位が1〜40モル%、特に3〜25モル
%であるのが適当である。 本発明に用いられる好ましいイオン交換膜は、
上記の様な弗素化オレフイン単量体とカルボン酸
基若しくはカルボン酸基に転換し得る官能基を有
する重合能ある単量体との共重合体によつて得ら
れる非架橋性の共重合体から構成されるが、その
分子量は、好ましくは約10万〜200万、特に15万
〜100万が適当である。又、かかる共重合体を製
造するには前記各単量体の一種以上を用い、さら
に第三の単量体を共重合することにより得られる
膜を改質することも出来る。例えば、CF2
CFORf(Rfは炭素数1〜10のパーフルオロアルキ
ル基)を併用することにより、得られる膜に可撓
性を付与したり、或はCF2=CF−CF=CF2,CF2
=CFO(CF2l〜3CF=CF2等のジビニルモノマー
を併用することにより、得られる共重合体を架橋
せしせ、膜に機械的強度を付与することも出来
る。弗素化オレフイン単量体とカルボン酸基若し
くは該基に転換し得る官能基を有する重合能ある
単量体、さらには第三の単量体との共重合は、既
知の任意の手段で行なわれる。即ち、必要に応じ
例えばハロゲン化炭化水素等の溶媒を用い、触媒
重合、熱重合、放射線重合等により重合し得る。
又、得られた共重合体からイオン交換膜に製膜す
る手段も特に制限はなく、例えばプレス成形、ロ
ール成形、押出し成形、溶液流延法、デイスパー
ジヨン成形、粉末成形等適宜公知の手段を採用し
得る。 かくして得られる膜は、その厚さが20〜500μ、
好ましくは50〜400μにせしめるのが適当である。 又、共重合体の製膜工程に相前後し、好ましく
は製膜後に共重合体がカルボン酸基そのものでは
なく、該基に転換し得る官能基の場合には、それ
に応じた適宜な処理により、これらの官能基がカ
ルボン酸基に転換される。例えば、―CN,―
COF,―COOR1,―COOM,―CONR2R3(M,
R1〜R3は上記と同様)の場合には、酸又はアル
カリのアルコール溶液により加水分解又は中和せ
しめてカルボン酸基に転換し、又官能基が二重結
合の場合には、―COF2と反応せしめてカルボン
酸基に転換される。さらに、本発明に用いられる
陽イオン交換膜は、必要に応じ、製膜時にポリエ
チレン、ポリプロピレン等のオレフインの重合
体、好ましくはポリテトラフルオロエチレン、エ
チレンとテトラフルオロエチレンとの共重合体等
の含弗素重合体を混合して成形することも出来、
或はこれらの重合体からなる布、網等の織物、不
織布又は多孔質フイルム等を支持体としたり、金
属製の線や網、多孔体を支持体として用いて膜を
補強することも可能である。又、電解に供せられ
る塩化アルカリとしては、塩化ナトリウムが一般
的であるが、その他、塩化カリウム、塩化リチウ
ム等のアルカリ金属の塩化物である。次に本発明
を実施例により説明する。 実施例 1 粒径44μ以下の酸化スズの粉末73mgを水50c.c.中
に懸濁させ、これにポリテトラフルオロエチレン
(PTFE)懸濁液(デユポン社、商品名テフロン
30J)を、PTFEが7.3mgになるように加え、これ
に非イオン系界面活性剤(ロームアンドハース
社、商品名トライトンX―100)を一滴滴下後、
氷冷下で超音波撹拌機を用いて撹拌後、多孔性
PTFE膜上に吸引濾過し、多孔性の酸化スズ薄層
を得た。 該薄層は、厚さ30μ、多孔率73%、空気透過係
数3.8×10-3モル/cm2・min・cmHgを有し、酸化
スズが5mg/cm2含まれていた。 一方、上記と同様な方法で、44μ以下の酸化ニ
ツケルが7mg/cm2含まれ、厚さ35μ、多孔率73
%、空気透過係数3.5×10-3モル/cm2・min・cm
Hgの薄層を得た。 次に、それぞれの薄層をイオン交換容量が
1.45meq/g樹脂、厚さ250μを有するテトラフル
オロエチレンとCF2=CFO(CF23COOCH3の共
重合体から成るイオン交換膜の両面に、多孔性
PTFE膜がイオン交換膜に対して外側になるよう
に積層し、温度160℃、圧力60Kg/cm2の条件で加
圧し、多孔性の薄層をイオン交換膜に付着させ、
その後、多孔性PTFE膜を取り除き、それぞれの
面に酸化スズ、酸化ニツケルの多孔性の層が密着
したイオン交換膜を得た。 該イオン交換膜を90℃、25重量%の苛性ソーダ
水溶液中に16時間浸漬して、前記イオン交換膜を
加水分解した。 その後、酸化スズの側に、40メツシユの白金金
網を、酸化ニツケルの側に、20メツシユのニツケ
ル金網を加圧接触させた後、白金金網側を陽極と
し、ニツケル金網側を陰極として、該イオン交換
膜構造体を使用して、電解槽を組み立てた。 この電解槽の陽極室に2Kg/cm2に加圧された
4N食塩水溶液を、また陰極室には2Kg/cm2に加
圧された水を供給し、94℃、電流密度を以下のよ
うに変化させて電解を行つた。この時、陰極液中
の苛性ソーダ濃度を35重量%に保持した。この時
の槽電圧を電流密度と共に以下に示す。 電流密度(A/dm2) 槽電圧(V) 10 2.65 20 2.82 30 3.00 40 3.14 比較例 陽極液、陰極液ともに加圧せず大気圧下で電解
を行うこと以外は実施例1と同様にして電解を行
つた。結果を以下に示す。 電流密度(A/dm2) 槽電圧(V) 10 2.74 20 2.96 30 3.18 40 3.35 実施例 2 陽極液、陰極液とも5Kg/cm2に加圧した以外は
実施例1と同様にして電解を行つた。結果を以下
に示す。 電流密度(A/dm2) 槽電圧(V) 10 2.63 20 2.80 30 2.97 40 3.10 実施例 3 陽極液を5Kg/cm2、陰極液を3Kg/cm2に加圧し
た以外は実施例1と同様にして電解を行つた。結
果を以下に示す。 電流密度(A/dm2) 槽電圧(V) 10 2.64 20 2.82 30 2.99 40 3.12
x, y, z are all 1 to 10, and z, R f are -
It is a group selected from F or a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and A is the same as above. 1 g of dry resin composed of these copolymers
When using a fluorine-containing cation exchange membrane with a carboxylic acid group concentration in the membrane of 0.5 to 2.0 milliequivalents,
For example, even if the concentration of caustic soda is 40% or more,
Its current efficiency reaches over 90%. The concentration of carboxylic acid groups in the film per gram of the above dry resin is 1.12.
When the amount is 1.7 milliequivalents, it is particularly preferable because caustic soda having a high concentration as described above can be obtained stably over a long period of time with high current efficiency. In order to achieve such ion exchange capacity, the above (a) and
In the case of a copolymer consisting of the polymerized units (b), it is preferred that the polymerized units (b) account for 1 to 40 mol%, particularly 3 to 25 mol%. Preferred ion exchange membranes used in the present invention are:
From a non-crosslinkable copolymer obtained by copolymerizing the above-mentioned fluorinated olefin monomer with a polymerizable monomer having a carboxylic acid group or a functional group convertible to a carboxylic acid group. The molecular weight thereof is preferably about 100,000 to 2,000,000, particularly 150,000 to 1,000,000. Further, in order to produce such a copolymer, one or more of the above-mentioned monomers may be used, and the resulting film may be modified by further copolymerizing a third monomer. For example, CF 2 =
By using CFOR f (R f is a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms), flexibility can be imparted to the obtained film, or CF 2 =CF−CF=CF 2 , CF 2
By using a divinyl monomer such as =CFO(CF 2 ) l~3 CF=CF 2 in combination, the resulting copolymer can be crosslinked and mechanical strength can be imparted to the membrane. The copolymerization of the fluorinated olefin monomer and a polymerizable monomer having a carboxylic acid group or a functional group convertible to the carboxylic acid group, as well as a third monomer, can be carried out by any known method. . That is, polymerization can be carried out by catalytic polymerization, thermal polymerization, radiation polymerization, etc., using a solvent such as a halogenated hydrocarbon, if necessary.
Furthermore, there is no particular restriction on the method for forming an ion exchange membrane from the obtained copolymer, and suitable known methods such as press molding, roll molding, extrusion molding, solution casting, dispersion molding, powder molding, etc. can be adopted. The film thus obtained has a thickness of 20 to 500μ,
Preferably, it is appropriate to make it 50 to 400μ. In addition, if the copolymer is not a carboxylic acid group itself but a functional group that can be converted into a carboxylic acid group before or after the copolymer film formation process, preferably after film formation, by appropriate treatment accordingly. , these functional groups are converted to carboxylic acid groups. For example, --CN, --
COF, ―COOR 1 , ―COOM, ―CONR 2 R 3 (M,
R 1 to R 3 are the same as above), it is converted into a carboxylic acid group by hydrolysis or neutralization with an acid or alkali alcohol solution, and when the functional group is a double bond, -COF It is converted into a carboxylic acid group by reacting with 2 . Furthermore, the cation exchange membrane used in the present invention may optionally contain an olefin polymer such as polyethylene or polypropylene, preferably polytetrafluoroethylene, or a copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene during membrane formation. It can also be molded by mixing fluoropolymer.
Alternatively, it is also possible to reinforce the membrane by using fabrics such as cloth, net, nonwoven fabric, or porous film made of these polymers as a support, or by using metal wires, nets, or porous materials as a support. be. The alkali chloride used for electrolysis is generally sodium chloride, but other alkali metal chlorides such as potassium chloride and lithium chloride are also available. Next, the present invention will be explained by examples. Example 1 73mg of tin oxide powder with a particle size of 44μ or less was suspended in 50cc of water, and a polytetrafluoroethylene (PTFE) suspension (DuPont, trade name Teflon) was added to this.
30J) so that PTFE becomes 7.3 mg, and after adding one drop of nonionic surfactant (Rohm & Haas, trade name: Triton X-100),
After stirring using an ultrasonic stirrer under ice cooling, the porous
A porous tin oxide thin layer was obtained by suction filtration on a PTFE membrane. The thin layer had a thickness of 30 μ, a porosity of 73%, an air permeability coefficient of 3.8×10 -3 mol/cm 2 ·min·cmHg, and contained 5 mg/cm 2 of tin oxide. On the other hand, using the same method as above, nickel oxide of 44μ or less was contained at 7mg/ cm2 , thickness was 35μ, and porosity was 73.
%, air permeability coefficient 3.5×10 -3 mol/cm 2・min・cm
A thin layer of Hg was obtained. Next, each thin layer is
An ion exchange membrane made of a copolymer of tetrafluoroethylene and CF 2 = CFO (CF 2 ) 3 COOCH 3 with 1.45 meq/g resin and a thickness of 250 μ has a porous structure on both sides.
The PTFE membrane is stacked on the outside of the ion exchange membrane, and the porous thin layer is attached to the ion exchange membrane by applying pressure at a temperature of 160℃ and a pressure of 60Kg/ cm2 .
Thereafter, the porous PTFE membrane was removed to obtain an ion exchange membrane with porous layers of tin oxide and nickel oxide adhered to each surface. The ion exchange membrane was immersed in a 25% by weight aqueous sodium hydroxide solution at 90° C. for 16 hours to hydrolyze the ion exchange membrane. After that, 40 meshes of platinum wire mesh was brought into pressure contact with the tin oxide side and 20 meshes of nickel wire mesh was brought into contact with the nickel oxide side, and the platinum wire mesh side was used as an anode and the nickel wire mesh side was used as a cathode. An electrolytic cell was assembled using the exchange membrane structure. The anode chamber of this electrolytic cell was pressurized to 2Kg/ cm2.
A 4N saline solution and water pressurized to 2 kg/cm 2 were supplied to the cathode chamber, and electrolysis was carried out at 94° C. and with the current density varied as shown below. At this time, the concentration of caustic soda in the catholyte was maintained at 35% by weight. The cell voltage at this time is shown below along with the current density. Current density (A/dm 2 ) Cell voltage (V) 10 2.65 20 2.82 30 3.00 40 3.14 Comparative example Same as Example 1 except that both the anolyte and catholyte were not pressurized and electrolysis was performed under atmospheric pressure. I did electrolysis. The results are shown below. Current density (A/dm 2 ) Cell voltage (V) 10 2.74 20 2.96 30 3.18 40 3.35 Example 2 Electrolysis was carried out in the same manner as in Example 1, except that both the anolyte and catholyte were pressurized to 5 kg/cm 2 Ivy. The results are shown below. Current density (A/dm 2 ) Cell voltage (V) 10 2.63 20 2.80 30 2.97 40 3.10 Example 3 Same as Example 1 except that the anolyte was pressurized to 5Kg/cm 2 and the catholyte was pressurized to 3Kg/cm 2 Electrolysis was performed using The results are shown below. Current density (A/dm 2 ) Cell voltage (V) 10 2.64 20 2.82 30 2.99 40 3.12

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 ガス及び液透過性の電極活性を有しない多孔
質層を少くとも一方の面に設けてなる陽イオン交
換膜を陽極と陰極の間に配置してなる電解槽の陽
極液及び陰極液を加圧しながら電解する方法。 2 陽極液が塩化アルカリ水溶液で陰極液が苛性
アルカリ水溶液又は水である特許請求範囲第1項
の電解する方法。
[Scope of Claims] 1. An anode of an electrolytic cell comprising a cation exchange membrane provided on at least one side with a porous layer having no electrode activity and permeable to gases and liquids, disposed between an anode and a cathode. A method of electrolyzing liquid and catholyte while pressurizing them. 2. The electrolysis method according to claim 1, wherein the anolyte is an aqueous alkali chloride solution and the catholyte is an aqueous caustic alkali solution or water.
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