JPS624469B2 - - Google Patents

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合物
水溶液、特に塩化アルカリ塩水溶液の電解槽及び
電解槽転換方法に関する。

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
装置及び水銀陰極電解槽をイオン交換膜電解槽に
転換する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、
水銀陰極電解槽があるが、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
い隔膜電解槽に、極力少ない費用を以て転換せん
とすれば必然的に水平型の隔膜電解槽に改造する
こととなり、かような水平型隔膜電解槽で、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。

上記水銀陰極電解槽を水平型隔膜電解槽に転換
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させ、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
に行うことは困難であり、実用化の面で難があ
る。

本発明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、本発明は水銀陰極電
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、かかる本発明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、本発明の目的は、水平型隔膜電解槽
を用いて高品質の苛性アルカリを高い効率を以て
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
平型隔膜電解槽を提供するにある。さらに他の目
的は、水銀陰極電解槽から高性能の水平型隔膜電
解槽、特に水平型陽イオン交換膜電解槽に転換す
る方法を提供するにある。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陽極室とに区画され、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びに陽極ガス
排出口とを具備してなり、前記陰極室は陰極とし
て作用する実質的に水平で平坦な陰極底板と、該
陰極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、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構成され、前記混相液の排出
口より排出された混相液を気液分離する装置と、
陰極ガスを分離した陰極液を前記陰極液の導入口
へ循環させる装置とを具備して構成されることを
特徴とする塩化アルカリ塩水溶液の電解槽を内容
とし、本発明の第２は、実質的に水平な陽極を有
し、蓋体と、該陽極を囲むように周設された側壁
とよりなる陽極室と陽極底板とよりなる水銀陰極
電解槽をイオン交換膜電解槽に転換するに当た
り、前記陽極室の下部に、前記水銀陰極電解槽の
陰極底板の周縁上に側壁を増設することによつて
該側壁と該陰極底板とよりなる陰極室を設け、該
陰極底板を陰極となし、前記陽極室と前記陰極室
との間に実質的に水平な陽イオン交換膜を挿置
し、該側壁の一方または該陰極底板の一端部に陰
極液の導入口を設け、該側壁の他の一方または該
陰極底板の他の端部に陰極ガスと陰極液との混相
液の排出口を設け、前記混相液の排出口より排出
された混相液を気液分離する装置と、陰極ガスを
分離した陰極液を前記陰極液の導入口へ循環させ
る装置を設けることを特徴とする塩化アルカリ塩
水溶液の水銀陰極電解槽をイオン交換膜電解槽に
転換する方法をそれぞれ内容とするものである。

次に本発明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
れによつて本発明をそれらに限定する意図を表し
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、本発明にかかる電解槽の
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、本発明装置は幅に
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
に水平に側壁面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）をも包含するものとす
る。

本発明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.
DuPont 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であり、ここ
に当量重量とは、交換基当量当たりの乾燥膜の重
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１３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・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、水銀陰極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。もちろん水銀陰極
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陽極室側壁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
のもので構成することも可能である。さらに第４
図に示すように陰極底板の周縁部を残して、陽イ
オン交換膜を介して該陽極と向かい合う部分を削
り取り、残つた陰極底板の周縁部を側壁として構
成することも可能である。水銀陰極電解槽を改造
する場合には陽極室側壁の下部フランジ部に対峙
する陰極底板周縁部を上記の如く残して側壁とす
るのが好ましい態様の１つである。さらに又、第
５図に示す構造においても好適な側壁を提供する
ことができる。すなわち、陰極底板１６の周縁に
薄層のパツキング２３を設置し、該陽極板１２を
該陽極室を構成する側壁下部のフランジ面より上
方に固定し、該陽イオン交換膜３の可撓性（フレ
キシビリテイ）を利用して該陽イオン交換膜を陽
極室側壁内面に沿わせて張装して陰極室を形成さ
せる。

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）等のゴム系材料、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）等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）等が例示
される。

本発明で陰極として使用される陰極底板１６は
実質的に水平で平坦な表面を有する。ここに実質
的に平坦な表面とは、陰極液と陰極ガスとの混相
液の流れを阻止または邪魔しない程度であればよ
く、機械加工等による平滑化は特に行なわなくと
も良い。また、水銀陰極電解槽で使用されている
陰極底板であれば、そのまま使用することができ
る。陰極底板１６は鉄、ニツケル、ステンレスス
チール等の導電性材料により製造することができ
る。また、上記材料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。

次に陰極液導電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の適宜箇処を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６図は陰極液導入口および排出口を陰極室側
壁に設けた実施態様を示すもので、陰極室側壁１
７の１方にスリツト状の陰極液導入口１９を設
け、一方、該導入口１９と対向する他の側壁にス
リツト状の混相液排出口２０を設け、該導入口１
９より陰極室内に陰極液を均一に分散導入させ、
混相液を該排出口２０に集めて排出する。

第７図および第８図は、それぞれ前記導入口を
陰極として作用する陰極底板に設けた実施態様を
示す。第７図は複数の孔よりなる導入口１９を陰
極底板１６の１端部に設け、排出口２０を導入口
１９と対向する該陰極底板の他の端部に設けたも
のである。第８図は導入口１９を陰極底板１６の
中央部に設け、排出口２０を該陰極底板の両端部
に設けた例である。尚、陰極液導入口および排出
口の位置関係は特に制限はないが、陰極底板ある
いは陰極室側壁のそれぞれ対向する位置に設ける
のが好ましい。

第９図は、本発明により水銀陰極電解槽を陽イ
オン交換膜電解槽に転換した水平陽イオン交換膜
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。

即ち、水銀陰極電解槽は実質的に水平な陽極
と、蓋体と、該陽極を囲むように周設された側壁
とからなる陽極室と陽極底板とを備えてなり、こ
れを陽イオン交換膜電解槽に転換するには、該陰
極底板上に陰極室側壁を増設して該陰極底板と該
側壁とよりなる陰極室を形成させ、上記陽極室と
陰極室との間、即ち陽極室側壁と陰極室側壁との
間に陽イオン交換膜を挿置することにより両室を
区画して、該陰極底板を陰極となした第９図に示
した如き構成とする。

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及び陽極板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。

一方、陰極室２は水銀陰極電解槽の実質的に平
坦な表面を有する陰極底板１６と、該陰極底板の
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１６は陰極ブスバー１８と連結されており陰
極として作用する。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。

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液となつて混相
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。

陽イオン交換膜を使用した電解方法としては、
縦型セルが一般的で、この場合、陰極で発生した
水素ガスを素早く陰極の背後（陽イオン交換膜と
反対の方向）へ抜くことによつて陰極液抵抗を減
少せしめんがため、通常、エキスパンドメタル、
パンチドメタル、メタルネツト等の多孔性陰極が
用いられる。

しかしながら横型セル即ち、水平型電解槽の場
合、比重の小さい水素ガスを陰極の背面、即ち水
平方向に延設された陰極の下へ抜くことは不可能
である。

従つて本発明方法の最大の特色は、陽イオン交
換膜３の下面と、陰極として作用する実質的に平
坦な表面を有する陰極底板１６表面とを接近して
配置して構成される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
の混相液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
底板１６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室
２の外へ排出することにある。

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
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、本発明によれば、水平型隔膜電解
槽において陽イオン交換膜と実質的に平坦な陰極
とを用いることによつ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。
更に本発明の電解槽は水銀陰極電解槽を転換して
容易に製造することができ、電解槽のみならず、
ブスパー、整流器、淡塩水処理設備、塩水系設備
等、殆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、水銀陰極電解槽の
転換を経済的に頗る有利に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は本発明に係る電
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図および第５図はそれ
ぞれ陰極室の実施態様を示す垂直縦断面図、第６
図、第７図および第８図はそれぞれ陰極液導入口
および排出口の実施態様を示す斜視図、第９図は
水銀陰極電解槽を陽イオン交換膜電解槽に転換し
た水平型陽イオン交換膜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。

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を有してなり、
   蓋板と、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びに陽極
   ガス排出口とを具備してなり、前記陰極室は陰極
   として作用する実質的に水平で平坦な陰極底板
   と、該陰極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、
   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構成され、前記混相液
   の排出口より排出された混相液を気液分離する装
   置と、陰極ガスを分離した陰極液を前記陰極液の
   導入口へ循環させる装置とを具備して構成される
   ことを特徴とする塩化アルカリ塩水溶液の電解
   槽。 ２ 実質的に水平な陽極を有し、蓋体と、該陽極
   を囲むように周設された側壁とよりなる陽極室
   と、陰極底板とよりなる水銀陰極電解槽をイオン
   交換膜電解槽に転換するに当たり、前記陽極室の
   下部に、前記水銀陰極電解槽の陰極底板の周縁上
   に側壁を増設することによつて該側壁と該陰極底
   板とよりなる陰極室を設け、該陰極底板を陰極と
   なし、前記陽極室と前記陰極室との間に実質的に
   水平な陽イオン交換膜を挿置し、該側壁の一方ま
   たは該陰極底板の一端部に陰極液の導入口を設
   け、該側壁の他の一方または該陰極底板の他の端
   部に陰極ガスと陰極液との混相液の排出口を設
   け、前記混相液の排出口より排出された混相液を
   気液分離する装置と、陰極ガスを分離した陰極液
   を前記陰極液の導入口へ循環させる装置を設ける
   ことを特徴とする塩化アルカリ塩水溶液の水銀陰
   極電解槽をイオン交換膜電解槽に転換する方法。 ３ 水銀陰極電解槽の陰極底板の周縁上にパツキ
   ングを介して陽イオン交換膜を張設することによ
   り該陰極底板、パツキング内側面および陽イオン
   交換膜により囲繞された陰極室を設ける特許請求
   の範囲第２項記載の方法。 ４ 水銀陰極電解槽の陰極底板の周縁部を除く部
   分を削り取り、該陰極底板の周縁部に陽イオン交
   換膜を張設することにより該陽イオン交換膜との
   間に空間を形成せしめて陰極室を設ける特許請求
   の範囲第２項記載の方法。