JPS6145160Y2 - - 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す
る。

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低い電解電圧で、主と
して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、一
般に目的とする電解生成物、例えば苛性アルカリ
は陰極室で生成するため、隔膜を通して陽極室へ
移動することがないという利点から、従来工業的
に可成り利用されて来た。

また、水平型電解槽の最も典型的な例として、
水銀法電解槽があるが、陰極に用いる水銀が環境
汚染物質であるため、近い将来休止すべき運命に
ある。かかる水銀陰極電解槽を、水銀を用いない
隔膜法電解槽に、極力少ない費用を以つて転換せ
んとすれば必然的に水平型の隔膜法電解槽に改造
することとなり、かような水平型隔膜法電解槽
で、水銀法に劣らぬ品位の電解生成物を、高い電
流効率を以つて生産する方法の開発は当業界の直
面する重要課題である。

上記水銀法電解槽を水平型隔膜法電解槽に転換
する方法が特公昭53−25557号公報に開示されて
いるが、これによつて得られた電解槽は濾隔膜を
用いたものであり、濾隔膜は透水率が大きく、従
つて陽極室液が隔膜を水力学的に透過し、陰極室
で生成する、例えば苛性アルカリ中に陽極液が混
入し純度を低下せしめる欠点がある。

一方、密隔膜と呼ばれる陽イオン交換膜は水力
学的に電解液を透過することなく、電気的に移動
するアルカリ金属イオンと共に配位した水分子が
透過するのみであるから高純度の苛性アルカリを
得ることができる反面、透過した僅かな水分は蒸
発し、陽イオン交換膜と陰極との間に導電不良を
来たし、遂には電解反応が停止してしまう。

かかる問題を解決する為、特開昭49−126596号
公報及び同50−55600号公報には陽イオン交換膜
と陰極との間に水分保持体を存在させる方法、及
び陰極に苛性アルカリ溶液を噴霧状又は噴水状で
供給しながら電解する方法が、それぞれ提案され
ている。

しかしながら、特開昭49−126596号公報によつ
て提案された方法は、水分保持体を介在させる手
数及び水分保持体の耐久性の問題があるのみなら
ず、陽イオン交換膜と陰極との間に水分保持体を
介在させた場合、極間距離が拡大すると共に水分
保持体による抵抗増は電解電圧を増大し、性能的
に有利な方法とは云えない。また特開昭50−
55600号公報にて提案された方法は、商業用電解
槽のような大型の場合、水分の噴射・供給を均一
に行なうことは困難であり、実用化の面で難があ
る。

本考案は叙上の如き従来技術の欠点を解消する
ためになされたものであり、本考案は水銀法電解
槽から比較的容易に水平型陽イオン交換膜電解槽
への転換を可能とし、高い電流効率を以つて高品
質の苛性アルカリの生産を可能とするものであ
る。また、かかる本考案になる電解槽は新材料を
用いて新たに建造することができることは云う迄
もない。

すなわち、本考案の目的は、水平型隔膜法電解
槽を用いて高品質の苛性アルカリを高い効率を以
つて取得するにある。他の目的は、新規な構造の
陰極を用い且つ高い性能を備えた改良された型式
の水平型隔膜法電解槽を提供するにある。さらに
他の目的は、水銀法電解槽から転換された高性能
の水平型隔膜法電解槽、特に水平型陽イオン交換
膜電解槽を提供するにある。その他の目的は以下
の記述により順次明らかとなろう。

上記目的を達成するための本考案は、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を有してなり、蓋体と、該陽
極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囲繞され、且つ陽極液
の導入口および排出口並に陽極ガス排出口とを具
備してなり、前記陰極室は陰極底板と該底板の周
縁上に周設された陰極室側壁と該陽イオン交換膜
の下面とにより囲まれ、かつ該陰極底板上の支持
部を介して該底板より適宜間隔離して設置された
陰極を有し、且つ陰極液の導入口および陰極ガス
と陰極液との混相流の排出口を具備して構成され
ることを特徴とする新規な電解槽を内容とするも
のである。

次に本考案の態様を添付図面について詳述す
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現在産業界で最も一般的に使
われている塩化ナトリウムを、また、その電解生
成物は苛性ソーダをそれぞれ便宜上用いるが、こ
れによつて本考案をそれらに限定する意図を表わ
したものでなく、他の無機塩水溶液や水電解等に
も適用できることは云う迄もない。

第１図乃至第３図は、本考案にかかる電解槽の
それぞれ側面図、垂直縦断面図及び垂直横断面図
である。

第１図及び第２図において、本考案装置は幅に
対し長さの大なる、好ましくは数倍の長さを有す
る長方型の陽極室１とその直下に位置する陰極室
２とよりなり、陽極室１と陰極室２とは、実質的
に水平に側壁間に張設された陽イオン交換膜３に
よつて区画される。本書中「実質的に水平」と
は、必要に応じて若干傾斜させた場合（1/10程度
迄の勾配を付与した場合）をも包含するものとす
る。

本考案に好適な陽イオン交換膜としては、例え
ば、陽イオン交換基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1000
乃至2000、好ましくは1100乃至1500である。ここ
に当量重量とは、交換基当量当りの乾燥膜の重量
（ｇ）である。また、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。これらの陽イオ
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。

陽極室１は蓋体４と、該蓋体４から懸垂された
陽極６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６は陽極ブスバー８で互いに
連結されている。蓋体４は陽極導電棒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９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。

上記の陽極室１を構成する蓋体４および陽極室
側壁５としては、水銀法電解槽を構成する蓋体及
び陽極室側壁を転用することもできるし、また塩
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
形状のままで使用することができる。

次いで陰極室２は陽イオン交換膜３の下表面と
陰極底板１６と、該陰極底板の縁に沿つて該陰極
底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２４は１又は２以上の支持部２５により陰
極２４に固定されている。支持部２５は鉄、ニツ
ケル、ステンレススチール、銅等のようにそれ自
身が導電性を有し陰極底板１６と陰極２４を電気
的に接続すると共に陰極２４を支持することもで
きる。固定方法としては特に制限されず、溶接、
ネジ、ボルト・ナツト等が例示される。更に、支
持部２５は、ポリテトラフルオロエチレン、塩素
化塩ビ等の耐熱性プラスチツク、天然ゴム等の硬
質ゴム等の非導電性材料で構成することもでき
る。支持部の固定は接着剤、ボルト等により実施
できる。上記の如き非導電性材料により陰極２４
を陰極底板１６上に支持する場合は、鉄、ニツケ
ル、銅、ステンレススチール等の導電性材料によ
り陰極底板１６と陰極２４を電気的に接続する
か、陰極２４と接続した導電性材料を陰極室側壁
１７より取り出し、隣接する電解槽の陽極ブスバ
ー８に接続しても良い。陰極は鉄、ニツケル、ス
テンレススチール等の耐食性材料からなり、その
形状は丸棒、角棒等の棒状のものを該支持部２５
の上にならべたものでもよく、またエクスパンド
メタル、パンチドメタル等の多孔性シートを該支
持部２５の上に固定することもできる。更にタン
ザク状の板を該支持部２５の上にならべ、ルーバ
ー状の電極としてもよい。上記陰極の表面に水素
過電圧を低下せしめるためのニツケル、銀の溶
射、ニツケル合金メツキ等を施したものを好適に
使用することができる。該支持部の材質は該陰極
と同じであつてもよく、また異なつていても差し
支えない。

本考案の陰極は、水銀法電解槽を水平型陽イオ
ン交換膜法電解槽に転換する場合に特に有利であ
る。即ち、陰極底板と略同寸法の棒状、多孔性シ
ート状、ルーバー状電極等を前もつて製作し、こ
れを陰極底板上に支持部を介して固定すれば、陰
極底板をラインから外すことなく容易に陰極を形
成することができる。また陰極に溶射、メツキ等
による低水素過電圧処理を施こす場合も、陰極底
板を製造ラインから外すことなく、前もつて処理
を施こした陰極を底板上に接続すれば良く、施工
上非常に有利である。更にまた低水素過電圧の再
処理を実施する場合は、陰極のみを外し、再処理
することが出来る。

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のもので構成
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、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）、ポリ（四フツ化エチレン−
六フツ化プロピレン）、ポリ（エチレン−四フツ
化エチレン）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。

次に陰極液導入口および陰極ガスと陰極液の混
相液の排出口であるが、前記陰極室２、すなわち
該陽イオン交換膜３、陰極室側壁１７および陰極
底板１６により囲繞された陰極室２に陰極液と陰
極ガスとの混相液の流れを生ぜしめることができ
ればよい。従つて陰極底板１６または陰極室側壁
１７の適宜箇処に設けることができる。陰極液導
入口の断面構造は、前記の如く陰極液の流れを生
ぜしめることができれば十分で、特に制限はない
が、陰極液が均一に流れることが好ましく、この
目的のためにスリツト状の導入口は好ましい態様
である。混相液流の方向は電解槽の長手方向ある
いはこれに垂直な方向等のいずれでもよい。

第３図は本考案による電解槽の垂直横部分断面
図で、陰極の一実施例として棒状陰極を示したも
ので、棒状陰極２４ａは複数の横桟２６の上に溶
接により並設され、該横桟２６は複数の導電性支
持部２５により陰極底板１６に接続されている。

第４図は、本考案により水銀法電解槽を陽イオ
ン交換膜法電解槽に転換した水平型陽イオン交換
膜法電解槽の断面図および陰極液循環系統を示す
概略図である。

同図において、陽極室１は蓋体４と、該蓋体４
から懸垂された複数の陽極６および陽極板１２を
包囲するように立設された陽極室側壁５と、陽極
室側壁５の下部フランジと陰極室側壁（図示せ
ず）との間に挾持張設された陽イオン交換膜３の
上表面とにより画成されている。陽極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
はブスバー８で相互に連結されている。また陽極
室１は陽極液導入口１３、同排出口および陽極ガ
ス排出口１５が設けられている。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
の外部で気液分離する場合は、該陽極ガス排出口
１３は不要である。

一方、陰極室２は水銀法電解槽の底板をその
まゝ転用した陰極底板１６と、該陰極板の周縁上
に設置された陰極室側壁と、前記陽イオン交換膜
３の下表面とにより画成されている。陰極底板１
６は陰極ブスバー１８と連結されている。陰極室
２は陰極液導入口１９および陰極液と陰極ガスと
の混相液排出口２０が設けられている。陰極２４
は、導電性支持部２５を介して電気的に陰極底板
１６と接続されている。

飽和塩水は、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
陽極ガス排出口１５より取り出し、淡塩水は陽極
液排出口から排出される。

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２４、導電性支持部２５、陰極底板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。

従つて本考案の最大の特色は、陰極室内に陰極
液を供給し、陰極室内を満たして貫流する陰極液
と陰極ガスとの混相流を形成することによつて、
陽イオン交換膜３の下面を該流れで充分に潤し電
解反応を円滑に進行せしめると共に、陽イオン交
換膜３と陰極２４との間に生成した苛性ソーダと
水素ガスとを、生成後直ちにこの流れに巻き込ん
で陰極と陰極底板の間に分散させながら陰極室２
の外へ排出させる構造にある。

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。

叙上の通り、本考案によれば、水平型陽イオン
交換膜法電解槽において高品質の苛性アルカリを
低電圧でしかも効率よく製造することができる。
更に本考案の電解槽は水銀法電解槽を転換して容
易に製造することができ、電解槽のみならず、ブ
スバー、整流器、淡塩水処理設備、塩水系設備
等、殆んどすべての現存設備をスクラツプするこ
となく転用することができる為、水銀法電解槽の
転換を経済的に頗る有利に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は本考案に係る電
解槽の１実施態様を示す各々側面図、垂直縦断面
図及び垂直横断面図、第４図は水銀法電解槽を陽
イオン交換膜法電解槽に転換した水平型陽イオン
交換膜法電解槽の垂直縦断面図および陰極液循環
系統を示す概略図である。 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、７……陽極懸垂装置、８……陽極ブスバ
ー、９……陽極導電棒、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……陰極底板、１７……陰極室側壁、１
８……陰極ブスバー、１９……陰極液導入口、２
０……陰極混相液排出口、２１……分離器、２２
……ポンプ、２３……パツキング、２４……陰
極、２４ａ……棒状陰極、２５……支持部、２６
……横桟。

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を有して
   なり、蓋体と、該陽極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
   り囲繞され、且つ陽極液の導入口および排出口
   並に陽極ガス排出口とを具備してなり、前記陰
   極室は陰極底板と該底板の周縁上に周設された
   陰極室側壁と該陽イオン交換膜の下面とにより
   囲繞され、かつ陰極室は該陰極底板上の支持部
   を介して該底板より適宜間隔を離して設置され
   た陰極を有し、且つ陰極液の導入口および陰極
   ガスと陰極液との混相液の排出口を具備してな
   ることを特徴とする水平型電解槽。 ２ 支持部が導電性である実用新案登録請求の範
   囲第１項記載の電解槽。 ３ 前記電解槽が水銀法電解槽より転換されたこ
   とを特徴とする実用新案登録請求の範囲第１項
   記載の電解槽。