JPS5952235B2 - アルカリ金属塩水溶液の電解方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はイオン交換膜式電解槽において電極の直下又は
その近傍より電解液を供給しつつ電解することを特徴と
するアルカリ金属塩水溶液の電解方法に関する。

詳しくはイオン交換膜式電解槽のイオン交換膜とこれに
対立する背面板とで区画された電極室内に、該イオン交
換膜との間に溶液の流通可能な間隙を持たせて多孔板よ
りなる電極を設置した電解槽において、電極室内の多孔
板よりなる電極の下方より該電極室内に実質的に存在す
る少なくとも一種の物質よりなる電解液を供給しつつ電
解することを特徴とするアルカリ金属塩水溶液の電解方
法に関する。また、上記方法を有効に実施するための装
置に関する。竪型の隔膜又はイオン交換膜式電解槽によ
りガスの発生を伴う電解を行なう場合に発生した気泡が
電極上に滞留したり、電極及び膜に添つて上昇するため
電極および膜の実効面積の減少、高い気泡密度による溶
液抵抗の上昇等によつて摺電圧が上昇する。

このような好ましくない現象は電極の有効高さが５０ｃ
ｍを越える電槽で顕著に現われ、高さの増大と共に益々
大きな影響を生ずる。このため通常竪型隔膜電解槽の高
さは制限され一般に９０ｃｍ乃至１００ｃｍである。本
発明はこのような気泡による好ましくない影響を可及的
に減少させ５０ｃｍ以上、場合によつては９０ｃｍ以上
であつても気泡により致命的影響を受けることのない電
解方法を提供する。

即ち、本発明は電解液を電極の下方より上方に向けて吐
出することにより、電極面近傍で上昇流を起こし、電極
面で発生するガスの上昇力との相乗効果により電極近傍
の上昇流速を更に増大させることにより一層気泡密度の
低下を図ろうとするものである。本発明においてはイオ
ン交換膜、背面板は特に限定されず通常よく知られたも
のが使用可能であり、電極もまた多孔板であれば讃孔板
、網板、工キズパッド板、棒状すだれ等どのような形式
のものでも使用できる。本発明にあつて最も重要なもの
は電解液の供給方法であり、これは電解液の供給口の位
置、供給口の形態等によつて決定される電極の下方から
上方に向けて電解液を吐出する機構及び電極室内の電解
液の置換率等の主条件によつて電極面近傍における液流
の効果を決めるものである。

本発明を更に詳しく説明するため以下図面によつて説明
する。

第１図は本発明における電解槽の一部を示す概念図であ
る。±は電解槽における電極室本体である。電解槽は電
極の下方から上方に向けて電解液を吐出する機構として
電極室の下面？で且つ供給液によつて電極面近傍で上昇
流を起こすような位置に電解液供給口２を有し、また液
出口３を有するものであれば単極式であつても複極式で
あつてもよく、またフイルタープレス型、水槽型等であ
つてもよい。材質も公知のものが使用・できる。本発明
の目的は前述した如く、電極面近傍で上昇流を起こし電
極面で発生するガスの上昇力との相乗効果により電極近
傍の上昇流を更に増大させることにより一層気泡密度の
低下を図ることにあり、そのため、電極の下方から上方
に向け．［て電解液を吐出する機構として、電解液供給
口２を電極の直下又はその近傍に設けることが必要とな
る。ここにう電極の近傍とは、該供給口から供給された
液流が電極表面に液の上昇力に影響を及ぼすことができ
る位置を言う。電解液供給口より（供給される電解液の
少なくとも一部好ましくは多くの部分はイオン交換膜４
と多孔板よりなる電極５との間に導く如くすることによ
り該間隙を上昇させると共に電極の多孔部より電極後方
に向けて流入させることにより電極前面の気泡を電極開
孔部より電極の後方に押し出し電極前面の気泡密度を更
に低下させることができる。そのため該供給口の位置は
技術的に可能な限りイオン交換膜に近ずけることが好ま
しい。電解液供給口の形態は電極面近傍の全体に亘つて
液を流すという条件より必然的に決まり、実質的に細長
く且つ電極とほぼ平行であることが好ましい。電極の下
方から上方に向けて電解液を吐出する機構を構成するた
め、電解液供給口を電解槽に設ける態様としては、例え
ば水槽型の場合は、電解液供給口を電解槽の底部に電極
の直下又はその近傍に位置するように設ける態様を取り
得る。

即ち、例えば電解槽の底部に電極の直下又は近傍に位置
し且つ該電極とほぼ平行となるように細長い穴をその長
手方向の長さが電極の５０％以上となるようにあけ、そ
の穴に合つた大きさの例えば第３図に示す如き細長い口
をもつた電解液供給ノズルを付設する態様、第４図に示
す如き長い管上に実質的に直列に複数個の孔を持つた電
解液供給ノズルを付設する態様等がある。該ノズルへの
電解液供給方法としては各ノズルにそれぞれ供給する方
法、好ましくは全ノズルに１本の主電解液供給管より配
流する方法を取り得る。またフイルタープレス型の電解
槽の場合も電極室枠の底部に電極の直下又はその近傍に
位置するよう穴をあけ、前記水槽型と同様にして電解液
供給ノズルを付設し液を供給することができる。さらに
多数の電解槽を直列に有するフイルタープレス型の電解
装置においては電解液供給口を電解槽に設ける更に好ま
しい態様として、イオン交換膜と電極枠との間に液供給
口を備えて液供給枠を介在させる態様を取り得る。該液
供給枠は実質的に電極の有効面積を減少させないよう中
空枠状であり下框に液供給口を有し、該液供給川よ更に
液供給道により電解液供給手段に連通している。好まし
い態様にあつては該液供給枠の下部に前後を貫通する孔
を設け且つ、該孔と液供給口とを液供給道で連通する。
更に該孔と共に連通孔を形成し得るよう電極室枠にも同
様な位置に連通孔を持たせ、結果として組立てられた電
解装置において電解装置の下部に該電解装置のほぼ全長
に亘つて連通孔を形成せしめこの連通孔を主電解液供給
管とする。上記の液供給枠を設けることにより電極前面
で上昇流を起こし該流れにより電極前面の気泡を電極開
孔部より電極後方に押し出し電極前面の気泡密度を更に
低下させることが可能となる。電解液供給口を設ける態
様としては前記の如く各電極室にそれぞれ電解液を供給
する場合と、各電極室にそれぞれ主電解液供給管より液
を供給する場合とによつて異なつてくる。

前者の場合の態様は例えば第５図に示すように電解液供
給道１２が枠下端まで延びているような液供給枠を用い
、これに夫々電解液供給手段が連結される。後者の場合
の態様は例えば第６図に示すように中空部分１１より電
解液供給道１２が電解液を各電極室に供給する主電解液
供給管である連通孔を構成する｛Ｌｌ３に延びているよ
うな液供給枠を用いる方法がある。この場合電解槽内部
より液を供給するた，め、第８図に示すように電極室枠
上Ａにも電解液を各極室に供給するための連通孔を構成
する孔１３を設ける必要がある。液供給枠１曳は電極全
面に均一に液を流すために液供給道１２の上部に液分配
部１５を設けることが好ましい。その態様とノしては例
えば連通孔方式の場合は第７図に示す如く液分配部１５
を設け液供給道を形成するものがある。しかしながら液
分配部の形状は７図に示されるような態様に限定される
ものではなく、液供給口より吐出される液を電極面全体
に亘つて均一に流すものであればどんな態様をも取り得
る。第８図に液供給枠を有する電解槽の一例を示す。電
解液は電極室枠及び液供給枠の孔１３より構成される連
通孔より、液供給枠に設けた液供給道１３を通つて中空
部１１に供給され、更にイオン交換膜４と電極５の間を
電極面で発生する気泡を伴つて上昇すると共に電極前面
から電極開孔部を通つて電極後方に流れ電極室枠に備え
られた液出口３より電槽外に出される。電極室のガスは
ガス出口７より電槽外に出される。この例では一方の電
極室のみ示されているが本発明の技術条件を満たせば両
方の電極室にも採用できる。その場合連通孔は２つ必要
となる。電解液供給枠の材質は電解条件下に不活性なも
ので且つ電解槽の締めつけ圧力に耐え得る圧縮強度をも
つたものであればよい。

例えば金属でつくることもできるが、その場合は液の濡
洩を防ぐため電極室枠及びイオン交換膜と接する部分に
パツキンングを設けなければならない。そのため電解液
供給枠の材質は締めつけた時枠自体がパツキングの役目
を兼ねるような材質例えばクロロプレンゴム、シリコン
ゴム、軟質樹脂等が良好に使用される。３は電解液取出
口で電極室の上部又は電極より後方であればどこに設置
されてもよいが好ましくは電極より後方に設置される方
が良い。

またフイルタープレス型の電槽の場合は電極室枠に連通
孔を設けて液出口を構成することも可能である。４はイ
オン交換膜であり、例えば食塩水溶液を電解する２室電
解槽の場合はデユポン社のナフイオン（商標）膜が好適
に使用し得る。

５は電極でその形状は前述のように多孔板であればよく
、且つ電極室内で液の上昇に伴い第１図に矢印で示され
るような対流が起こるため該電極は上部および下部に流
れの対流のための隙間或いは流路があればよい。

また、電極の多孔部分が電極の上下に亘つて延長されて
いる場合は対流液は多孔部分から流通するため特に液の
対流のための流路は設ける必要がない。勿論別途に流路
を設けてもよい。電極とイオン交換膜との間隔は上昇液
流の少なくとも一部の流路となるため最低１ｍｍ以上は
必要であり、逆に間隔が大きくなると電解液供給速度に
対する液の上昇速度が低下し、ひいては電極面近傍の気
泡密度を低下させる効果が減少するため１０ｍｍ以下に
することが望ましい。前述したフイルタープレス型電解
槽において、液供給枠を設ける場合はイオン交換膜と電
極との間隔が１〜１０ｍｍとなるように該枠の厚みを調
整することができる。更に本発明にあつては、電極の下
方から上方に向けて電解液を吐出する機構の態様として
第３図及び第４図に例示される如きノズルによるもの、
第５図、第６図、第７図に例示される如き液供給枠によ
るものの他に、第１０図に示すように液５の供給口２を
電槽の下方の側面につけ、流入した電解液を堰板２１に
よつてイオン交換膜と電極５の間に吐出する態様がある
。

該堰板は液供給口より流入してきた液をイオン交換膜と
電極との間に吐出する効果を表わすものであれば、その
形状はどんなものでもよく、図示されている側面がＬ型
の他？型及び毛型等の形状を適宜とり得る。また堰板の
イオン交換膜に面する部分の垂直方向の長さは、電解液
がイオン交換膜と電極との間を垂直に上方に向けて吐出
されることが望ましく２ｃｍ以上とすることが好ましい
。堰板は電極室全巾に亘つて付設される必要はなく、そ
の機能を発揮するに必要な巾で例えば全巾に対して８０
％以上であればよく、またその支持方法については両側
端で支持されてもよいし、図示しない支持体により背面
板、底板部、電極等を基礎として支持されてもよい。該
堰板の材質は、電解条件で不活性であり且つ、その機能
を発揮できるような強度を持つているものであれば公知
の材質を適宜使用し得る。例えば弗素系樹脂、ポリ塩化
ビニル、シリコンゴム、エボナイト、ポリオレフイン又
は金属板例えば食塩電解において陰極室にあつては鉄、
ステンレススチール、軟鋼等、陽極室ではチタン、タン
グステン、タンタル等が使用される。６は背面板であり
電極と背面板との間隔は、電極面で発生する気泡を伴な
う、電解液供給口より上昇する液流をこの部分で収容し
、且つ上昇した液が降下する際に電極とイオン交換膜間
にその影響を及ぼさないよう電極の後方で下降流を起こ
すため広い程好ましい。

通常１０ｍｍ以上必要であり、好ましくは液取出口を設
ける等も考慮して２０ｍｍ以上必要である。また、下降
液を電極後方に導くようにするために第２図に示す如き
、液の流れを制御する溶液仕切板８を設置し強制的に矢
印で示されるような液対流を起こせせることも可能であ
る。この場合，に電極と該仕切板との間隔は、上昇液中
の気泡が電極の前方に拡散しないように電極とイオン交
換膜との間隔の２倍以上にすることが好ましく、また逆
に間隔が大きくなると供給液流と気泡の上昇力によつて
生じる液流速が減少するばかりでなく，電極と仕切板と
の間で対流が起こり溶液仕切板の効果がなくなるため３
０ｍｍ以下にすることが好ましい。溶液仕切板と背面板
との間隔は十分に広くてよく、例えばイオン交換膜と電
極及び電極と溶液仕切板との間隔の和以上にすることが
好ましい。こ溶液仕切板はその上部及び下部に液の流路
となる間隙をもつていればよく、その材質も電解条件下
に不活性であればよく、一般に弗素系樹脂、ポリ塩化ビ
ニル、シリコンゴム、エボナイト、ポリオレフイン又は
金属板、例えば食塩電解において陰η極室にあつては鉄
、ステンレススチール、軟鋼等、陽極室ではチタン、タ
ングステン、タンタル等が使用される。溶液仕切板は電
解槽の全巾に亘つて付設される必要はなく、その機能を
発揮するに必要な幅、例えば全幅に対して１／２以上、
好ましくは２／３以上であればよく、また該仕切板は１
枚で構成されてもよいし２枚以上で構成されてもよい。
溶液仕切板の支持方法については両側端で支持されても
よいし、また図示しない支持体により背面板、底板部、
電極等を基礎として支持されてもよい。７はガス抜き取
り口であり、電解液と気泡を同一口から取り出し電解槽
外部で気液分離を行なう場合は不要である。

第１図及び第２図は１方の極室のみが示されている。

例えば５が陰極を表わす場合はイオン交換膜を介して陽
極室が存在し、５が陽極を表わす場合はイオン交換膜を
介して陰極室が存在する。即ち、本発明は陽極室におい
ても陰極室においても適用することが可能であり、勿論
本発明の技術的条件を満足しておれば陽極室および陰極
室の両室に同時に適用することも可能である。例えば食
塩水溶液電解において陰極室に本発明を適用するには電
解液として水又は苛性ソーダ水溶液を供給しつつ電解を
行えばよく、陽極室に本発明を適用するには電解液とし
て食塩水溶液を供給しつつ電解を行なえばよい。本発明
にあつて、前述した如く液供給口の位置および形態の他
に電極室内の電解液の置換率が電極面近傍の気泡密度を
低下，させる上で重要な条件となる。

置換率とは、一定時間内に電極室内の液が、その全量に
対してどのくらいの割合で置換されるかを示すもので、
これはイオン交換膜を介して出入する液量と供給液量の
和に比例するものであるが、一般には供給液量が支配的
に影響する。電解液供給口より吐出される電解液の線速
度は置換率と液供給口の有効面積によつて決まる。本発
明において、該線速度は電極面近傍で上昇流を起こし、
発生する気泡密度を低下させ速やかに上方に搬送するた
め最低３ｃｍ／Ｓｅｃ以上、好ましくは１０ｃｍ／Ｓｅ
ｃ以上必要で、上限は電解液供給口がイオン交換膜に近
い場合に液流によつて膜に悪影響を与えたり、装置に悪
影響を与えない限り技術的に可能な線速度で供給するこ
とができ得る。一般には５００ｃｍ／Ｓｅｃ以下で吐出
することが好ましい。電解液の置換率は、電解液供給口
の有効面積に従つて、上記線速度の範囲を満足するよう
に、５０一５００％／Ｍｉｎの範囲内、好ましくは２０
０−４００％／Ｍｉｎの範囲内で適宜選ぶことができる
。例えば、陰極室において本発明を適用する場合、該置
換率を低くするにつれて濃度の高い苛性アルカリ水溶液
を得ることができるが、循環率を上げて高濃度の苛性ア
ルカリ水溶液を得るには、得られた苛性アルカリ水溶液
を所定の濃度になるまで再供給すればよい。電解液を各
極室に供給するにあたつて、前述した如く各電極室へ電
解槽の外部に設けた主電解液供給管より配流する場合に
、各極室に均一に電解液が供給されることは各電極室内
の液の流れに対する抵抗が必ずしも一定ではあり得ない
ため一般には困難である。

そこでその欠点を解消するためには、液供給口における
圧力をＰｉ液出口圧力をＰＯとしたときＰｉ〉〉ＰＯの
関係になるよう電解液を供給すればよい。Ｐｉ〉〉ＰＯ
とする方法については電解液供給口をしぼるか又は第７
図に示される液分配部１５を付与することによつてＰｉ
を高く保つことができる。またＰｉとＰＯの差圧は水柱
で５０ｃｍ以上好ましくは１００ｃｍ以上あればよい。
第９図に本発明を実施する具体例を示す。本図において
本発明に直接関係ないものは省略する。本例は陰極室の
みに本発明の液供給口を付設した場合における電解装置
の概念図と電解液の系路の一例を示す。これはポンプ１
９より送られた電解液は連通孔１３を通つて液供給枠」
に設けられた供給口より該枠の中空部を上昇すると共に
電極面で発生する気泡を伴つて電極開孔部を通り電極前
面より電極後方へ流れ液取出口３により電槽外に抜取ら
れ、該液はタンク１７に集められる。目的濃度となつた
液は抜取口１６よりその１部又は全部を抜き取り、残り
はタンクに送られ１７より新たに電解液を加えるか又は
加えないで、再度電解装置に供給するという系路を示す
ものである。この場合に液抜取量と外部からの液補給量
及びイオン交換膜を通して出入する液とを等しくするこ
とにより定常的に同じ濃度の苛性アルカリ水溶液を得る
ことができる。上述の如く電極室より抜き出した電解液
を該電極室の多孔板よりなる電極の下方より供給するこ
とは本発明において好ましい態様である。特に複数の電
極室よりそれぞれ抜き出し、これらの液を一旦混合し、
場合によつては更に新たに電解液を加えて再度前記の各
電極室にそれぞれ供給する所謂循環方式を行うことがが
各電解室内に液濃度を均一に保てる等の理由から推奨さ
れる。本発明に適するアルカリ金属塩について述べると
例えば塩化ナトリウム、塩化カリウム、臭化ナトリウム
、臭化カリウム、塩化リチウム、フツ化ナトリウム、硫
酸ナトリウム等については陰極室、陽極室の両方又は一
方に適用し得るし、ヨウ化ナトリウムやヨウ化カリウム
等は陽極室でガスを発生しないので陰極室のみ適用し得
る。

これらのアルカリ金属塩の内就中塩化ナトリウム、塩化
力リウムが工業的に多く適用される。以上の説明より理
解されるよう本発明は電極の下方から上方に向けて電解
液を吐出させることにより電極面で発生する気泡の上昇
力との相乗効果により電極面近傍の上昇流を更に増大さ
せ、一層気泡密度の低下を図り、よつて摺電圧を低下し
、電流効率を増大させる電解方法及びそれに用いる電解
槽の構造を提供するものである。

本発明の実施の例として、例えば８個の電解槽を直列に
有するフイルタープレス型電解装置を用い飽和食塩水を
電解するにあたり、一方は単に電解槽の側面より水を供
給しつつ電解し、６規定の苛性ソーダをオーバーフロー
により連続的に取得した。

この場合の電流密度は３０Ａ／Ｄｍ２で電流効率は８２
％で平均極間電圧は３．９ボルトであつた。他方同じ装
置に第７図に示す如き液分配部を有する液供給枠を用い
て第９図に示す如く、陰極室液を置換率５０％／分、線
速度２０ｃｍ／秒、電解装置の主電解液供給管入口圧と
各電解槽の液出口圧との差圧を約１２０ｃｍ水柱となる
如く循環し、タンク１７に水を供給し且つ１６より約６
規定の苛性ソーダを抜き取りつつ電解を行なつたところ
電流効率は８７％で平均極間電圧は３．６ボルトであつ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電解槽の一部を示す概念図である。 第２図は本発明の電解槽において溶液仕切板を付設した
場合の概念図である。第３図及び第４図は液供給ノズル
の態様を示す。第５図、第６図、及び第７図は液供給枠
の態様を示す。第８図は液供給枠を取り付けた場合の電
解装置の一部を示す。第９図は本発明における電解装置
の概念図及び液の流通経路の一態様を示す。第］０図は
堰板を取り付けた場合の電解槽の一部を示す概念図であ
る。１は電解槽又は電解装置本体、２は液供給口、３は
液出口、４はイオン交換膜、５は電極、６は背面板、７
はガス出口、８は溶液仕切板、９は液供給ノズル、１０
は液供給枠、１］は中空部、１２は液供給道、１３は連
通孔、１４は電極室枠、１５は液分配部、１６は液抜取
部、１７はタンク、１８は液添加部、１９はポンプ、２
０は導電部、２１は堰板をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ イオン交換膜式電解槽のイオン交換膜とこれに対立
   する背面板とで区画された電極室内に、該イオン交換膜
   との間に溶液の流通可能な間隙を持たせて多孔板よりな
   る電極を設置した電解槽において、電極室内の多孔板よ
   りなる電極の下方より該電極室内に存在する少なくとも
   一種の物質よりなる電解液を供給しつつ電解することを
   特徴とするアルカリ金属塩水溶液の電解方法。 ２ 電極と背面板との間に上部及び下部に溶液の流通間
   隙を有する溶液仕切板を設けた電解槽を用いる特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ３ 電極室が陰極室であつて電極の下方より水又は苛性
   アルカリ水溶液を供給しつつ電解する特許請求の範囲第
   １項記載の方法。 ４ 電極室が陽極室であつて電極の下方よりアルカリ金
   属塩水溶液を供給しつつ電解する特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ５ 電極室より抜き出した電解液を該電極室の多孔板よ
   りなる電極の下方より供給する特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 ６ 複数の電極室より電解液をそれぞれ抜き出しこれら
   を混合した後再度前記の電極室にそれぞれ供給する特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ７ イオン交換膜式電解槽のイオン交換膜とこれに対立
   する背面板とで区画された電極室内に、該イオン交換膜
   との間に溶液の流通可能な間隙をもたせて多孔板よりな
   る電極が設置され、該電極の下方から上方に向けて電解
   液を吐出する機構を有することを特徴とするアルカリ金
   属塩の電解槽。 ８ 多数の電解槽ユニットを直列に有するフィルタープ
   レス型電解装置の底部に、各電解槽ユニットの電極室に
   準する電解液供給道を有する主電解供給管を備えた特許
   請求の範囲第７項記載の電解槽。