JP7061997B2 - Method for producing sodium hydroxide and / or chlorine, and 2-chamber saline electrolytic cell - Google Patents
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Description
本発明は、水酸化ナトリウム及び/又は塩素の製造方法、並びに2室法型食塩水電解槽に関する。 The present invention relates to a method for producing sodium hydroxide and / or chlorine, and a two-chamber saline electrolytic cell.
水酸化ナトリウム及び塩素は産業の素材として重要であり、従来はイオン交換膜を用いて食塩水を電解する方法であって、陰極に金属電極を用い、下記式(1)の反応によって食塩水を電解する方法によって製造されてきた。
2NaCl+2H2O→Cl2+2NaOH+H2 (1)Sodium hydroxide and chlorine are important as industrial materials, and conventionally, it is a method of electrolyzing a saline solution using an ion exchange membrane. A metal electrode is used as a cathode, and the saline solution is prepared by the reaction of the following formula (1). It has been manufactured by a method of electrolysis.
2NaCl + 2H 2 O → Cl 2 + 2NaOH + H 2 (1)
しかし、上記式(1)による食塩水の電気分解には大きな電力が必要となるため、近年では大幅な省エネルギーを期待して、ガス拡散電極を用いた陰極で酸素を還元する方法(以下、酸素陰極法と呼ぶ)が検討されている。陽極での反応は従来の方法と同様に、塩素イオンの酸化反応であり、酸素陰極法では、全体として下記式(2)の反応が生じる。
2NaCl+1/2O2+H2O→Cl2+2NaOH (2)However, since the electrolysis of the saline solution according to the above formula (1) requires a large amount of electric power, in recent years, in anticipation of significant energy saving, a method of reducing oxygen with a cathode using a gas diffusion electrode (hereinafter referred to as oxygen). (Called the cathode method) is being considered. The reaction at the anode is an oxidation reaction of chloride ions as in the conventional method, and in the oxygen cathode method, the reaction of the following formula (2) occurs as a whole.
2NaCl + 1 / 2O 2 + H 2 O → Cl 2 + 2 NaOH (2)
酸素陰極法では、電解槽が陽極室、陰極液室、陰極ガス室という3室に区画される3室法が採用されてきたが、例えば特許文献1に記載されるように最近では、陽極、イオン交換膜、ガス拡散電極を互いに密着し、陰極液室を実質的になくし、電解槽を陽極室及び陰極ガス室の2室に区画する2室法が検討されている。上記反応式に示した通り、食塩水の電解反応には、水分が必要であると共に、生成する水酸化ナトリウムが濃くなりすぎないようにするためにも水分の存在が必要である。3室法では、陰極室に水酸化ナトリウム水溶液の循環する液室があり、ここから十分な水分が供給される。一方、2室法では、陰極室に液室がないため、水分の供給は陽極室側からイオン交換膜を通して供給される電気浸透水のみになるが、これだけでは不十分であり何らかの方法で陰極に水分を供給する必要がある。前記特許文献1では、ガス室を経由して不足分の水分を供給することが記載され、具体的には90℃に加熱した水を用意しておき、これを酸素ガスの流入口から導入している。また、特許文献2においても、カソード隔室に湿った酸素含有ガスを供給することが開示され、具体的には、80℃に加熱された水中に酸素をバブリングすることによって湿度を与えた酸素含有ガスを用意しておき、これをカソード隔室に導入することが記載される。
In the oxygen cathode method, a three-chamber method has been adopted in which the electrolytic cell is divided into three chambers, an anode chamber, a cathode liquid chamber, and a cathode gas chamber. A two-chamber method is being studied in which the ion exchange film and the gas diffusion electrode are brought into close contact with each other, the cathode liquid chamber is substantially eliminated, and the electrolytic cell is divided into two chambers, an anode chamber and a cathode gas chamber. As shown in the above reaction formula, the electrolytic reaction of the saline solution requires water, and also requires the presence of water so that the sodium hydroxide produced does not become too thick. In the three-chamber method, the cathode chamber has a liquid chamber in which the sodium hydroxide aqueous solution circulates, and sufficient water is supplied from this chamber. On the other hand, in the two-chamber method, since there is no liquid chamber in the cathode chamber, the water is supplied only to the electroosmotic water supplied from the anode chamber side through the ion exchange membrane, but this alone is not sufficient and the cathode is supplied by some method. It is necessary to supply water. In
しかし、前記特許文献1及び2に記載される水分の供給方法では、水を80℃又は90℃に加熱するためのエネルギーを要している。更に、特許文献1では電解槽の温度が高くなりすぎた場合には、外部の熱交換器に陽極液を循環させ、冷却水などを用いて陽極液の温度を下げており、冷却水を用意するためのエネルギーも必要である。
However, the water supply method described in
そこで、本発明は、酸素陰極法の2室法において、電解反応に必要なエネルギー以外の余分なエネルギーを要することなく、陰極室に水分を供給すると共に電解槽の過熱を抑えて、効率よく水酸化ナトリウム及び/又は塩素を製造することが可能な方法を提供することを目的とする。 Therefore, according to the present invention, in the two-chamber method of the oxygen cathode method, water is efficiently supplied to the cathode chamber and the overheating of the electrolytic cell is suppressed without requiring extra energy other than the energy required for the electrolytic reaction. It is an object of the present invention to provide a method capable of producing sodium oxide and / or chlorine.
本発明は、以下の通りである。
[1]イオン交換膜を挟んで、陽極を内蔵した陽極室と、ガス拡散陰極を内蔵した陰極室とを備える単位セルを1つ以上有する2室法型食塩水電解槽を用い、陽極室には食塩水を、陰極室には加湿された酸素含有ガスを供給して食塩水を電解して水酸化ナトリウム及び/又は塩素を製造する方法であって、
前記単位セルは、前記陰極室に供給するための加湿された酸素含有ガスを生成する加湿室を更に有し、
該加湿室は、該単位セル内の前記陽極室もしくは陰極室、又は隣接する単位セルの陽極室もしくは陰極室に熱交換可能に隣接しており、陽極室又は陰極室からの熱によって水蒸気を発生させることで前記酸素含有ガスを加湿する水酸化ナトリウム及び/又は塩素の製造方法。The present invention is as follows.
[1] Using a two-chamber method saline electrolytic cell having one or more unit cells including an anode chamber with a built-in anode and a cathode chamber with a built-in gas diffusion cathode across an ion exchange membrane, the anode chamber is used. Is a method of supplying a saline solution and a humidified oxygen-containing gas to the cathode chamber to electrolyze the saline solution to produce sodium hydroxide and / or chlorine.
The unit cell further comprises a humidifying chamber that produces a humidified oxygen-containing gas to supply to the cathode chamber.
The humidifying chamber is adjacent to the anode chamber or the cathode chamber in the unit cell, or the anode chamber or the cathode chamber of the adjacent unit cell so as to be heat exchangeable, and generates water vapor by the heat from the anode chamber or the cathode chamber. A method for producing sodium hydroxide and / or chlorine that humidifies the oxygen-containing gas by allowing the gas to be heated.
[2]前記加湿室は前記陰極室に隣接しており、加湿室で生成した加湿された酸素含有ガスは、加湿室と陰極室との間の隔壁に設けられた開口部を通して加湿室から陰極室に供給される[1]に記載の製造方法。 [2] The humidifying chamber is adjacent to the cathode chamber, and the humidified oxygen-containing gas generated in the humidifying chamber is transferred from the humidifying chamber to the cathode through an opening provided in the partition wall between the humidifying chamber and the cathode chamber. The manufacturing method according to [1] supplied to the chamber.
[3]前記加湿室と陰極室との間の隔壁に設けられた開口部は、単一の開口部である[2]に記載の製造方法。 [3] The manufacturing method according to [2], wherein the opening provided in the partition wall between the humidifying chamber and the cathode chamber is a single opening.
[4]前記加湿室と陰極室との間の隔壁に設けられた開口部は、複数の開口部である[2]に記載の製造方法。 [4] The manufacturing method according to [2], wherein the openings provided in the partition wall between the humidifying chamber and the cathode chamber are a plurality of openings.
[5]前記加湿室で生成した加湿された酸素含有ガスは、加湿室及び陰極室の外側に設けられた流路を通して加湿室から陰極室に供給される[1]に記載の製造方法。 [5] The production method according to [1], wherein the humidified oxygen-containing gas generated in the humidifying chamber is supplied from the humidifying chamber to the cathode chamber through a flow path provided outside the humidifying chamber and the cathode chamber.
[6]前記加湿室及び陰極室の外側に設けられた流路は、単一の流路である[5]に記載の製造方法。 [6] The manufacturing method according to [5], wherein the flow path provided outside the humidifying chamber and the cathode chamber is a single flow path.
[7]前記加湿室及び陰極室の外側に設けられた流路は、複数の流路である[5]に記載の製造方法。 [7] The manufacturing method according to [5], wherein the flow paths provided outside the humidifying chamber and the cathode chamber are a plurality of flow paths.
[8]前記電解槽では複数の単位セルが連結されており、複数の単位セルは、陽極室、陰極室、加湿室の順序が繰り返すように並べられている[1]~[7]のいずれかに記載の製造方法。 [8] In the electrolytic cell, a plurality of unit cells are connected, and the plurality of unit cells are arranged so as to repeat the order of the anode chamber, the cathode chamber, and the humidification chamber [1] to [7]. The manufacturing method described in Crab.
[9]イオン交換膜を挟んで陽極室と陰極室とを有する単位セルを1つ以上有する2室法型食塩水電解槽であって、
前記陽極室は、陽極を内蔵し、原料食塩水の供給口と電気分解後食塩水の排出口及び塩素排出口を備え、前記陰極室は、ガス拡散陰極を内蔵し、加湿された酸素含有ガスの供給部と電気分解反応物の排出口を備え、
前記単位セルは、前記陰極室に供給するための酸素含有ガスを生成する加湿室を更に有し、
該加湿室は、前記単位セル内の前記陽極室或いは陰極室、又は隣接する単位セルの陽極室或いは陰極室に熱交換可能に隣接しているとともに、酸素含有ガス供給口を備えている2室法型食塩水電解槽。[9] A two-chamber saline electrolytic cell having one or more unit cells having an anode chamber and a cathode chamber with an ion exchange membrane interposed therebetween.
The anode chamber has a built-in anode and includes a supply port for raw saline solution, a discharge port for electrolyzed saline solution, and a chlorine discharge port. The cathode chamber has a built-in gas diffusion cathode and is a humidified oxygen-containing gas. Equipped with a supply unit and an outlet for electrolyzed reactants
The unit cell further comprises a humidifying chamber that produces an oxygen-containing gas to supply to the cathode chamber.
The humidifying chamber is adjacent to the anode chamber or cathode chamber in the unit cell, or the anode chamber or cathode chamber of the adjacent unit cell so as to be heat exchangeable, and is provided with an oxygen-containing gas supply port. Legal saline electrolytic cell.
[10]前記電解槽では複数の単位セルが連結されており、複数の単位セルは、陽極室、陰極室、加湿室の順序が繰り返すように並べられている[9]に記載の電解槽。 [10] The electrolytic cell according to [9], wherein a plurality of unit cells are connected in the electrolytic cell, and the plurality of unit cells are arranged so that the order of the anode chamber, the cathode chamber, and the humidifying chamber is repeated.
本発明によれば、加湿室が陽極室或いは陰極室に熱交換可能に隣接しているため、陽極室又は陰極室の熱を用いて酸素含有ガスを加湿することができると共に、電解槽の過熱を防ぐことができる。 According to the present invention, since the humidifying chamber is adjacent to the anode chamber or the cathode chamber so as to be heat exchangeable, the oxygen-containing gas can be humidified by using the heat of the anode chamber or the cathode chamber, and the electrolytic cell is overheated. Can be prevented.
以下、本発明に係る2室法型食塩水電解槽及びこれを用いた水酸化ナトリウム及び/又は塩素の製造方法について図面を用いて説明するが、本発明は下記図面に限定されるものではなく、前記および後記の趣旨に適合し得る範囲で設計変更してもよい。 Hereinafter, a two-chamber saline electrolytic cell according to the present invention and a method for producing sodium hydroxide and / or chlorine using the same will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following drawings. , The design may be changed to the extent that it fits the purpose of the above and the following.
図1は、本発明の電解槽における単位セルの一例を示した図である。単位セル1は、イオン交換膜2を挟んで、陽極室3と陰極室4を有する。この陽極室3は、前記イオン交換膜2の陽極室側面に密着して陽極3aを備えており、また陽極室3は、原料食塩水の供給口3bをその下部に備え、電気分解後食塩水及び塩素の排出口3cをその上部に備えている。一方、陰極室4では、前記イオン交換膜2の陰極室側面に密着する液保持層4b、ガス拡散陰極4a、必要に応じてガス拡散陰極支持体4c及びクッション材4dをこの順で備えている。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a unit cell in the electrolytic cell of the present invention. The
そして本発明の単位セル1では、隔壁6で陰極室4と隔てられた加湿室5が備えられており、この加湿室5は前記陰極室4と熱交換可能になっている。また図示例の隔壁6は、図2(a)に示した通りの平面形状を有しており、隔壁6の上部が全体に亘って開口部7になる形状を有している。このため加湿された酸素含有ガスが加湿室5から陰極室4に供給可能になっている。なお前記陰極室4には、加湿室の水面高さを一定とするための均圧ライン4eも備えている。ただし本発明において、同様の機能を他の手段で行うことができれば均圧ライン4eは必須ではない。
The
なお、加湿室中の水については、外部と流通させても良いし、させなくても良い。外部と流通する場合、外部から加湿室に通水し温水を排出するラインを別途設けることが出来る(図示なし)。外部から通水する場合、その水の流量や温度は、加湿室内の水の温度が所定条件(例えば80℃以上)を満たすように適宜設定しうるが、後述するように、外部から通水することなく、あるいは通水した場合でも、電解反応の熱のみを利用して所定温度とするのがエネルギー効率の点からは好ましい。 The water in the humidifying chamber may or may not be distributed to the outside. When distributing to the outside, a separate line can be provided to allow water to flow from the outside to the humidifying chamber and discharge hot water (not shown). When water is passed from the outside, the flow rate and temperature of the water can be appropriately set so that the temperature of the water in the humidifying chamber satisfies a predetermined condition (for example, 80 ° C. or higher), but as will be described later, water is passed from the outside. From the viewpoint of energy efficiency, it is preferable to use only the heat of the electrolytic reaction to bring the temperature to a predetermined temperature, even if water is passed through the temperature.
上記単位セル1では、陽極室3に原料食塩水の供給口3bから原料食塩水を供給し、かつ酸素含有ガス供給口5aから酸素含有ガスを加湿室5に貯められた水中にバブリングして、加湿された酸素含有ガス(酸素濃度は例えば90%以上、好ましくは93%以上)を生成し、これを陰極室4に供給しながら通電することで、陽極3aにおいて塩素が生成し、ガス拡散陰極4aにおいて水酸化ナトリウムが生成する。そして食塩水の電解反応が進行して陰極で生じた熱が加湿室5に伝わることで加湿室5に貯められた水を昇温することができ、加湿室中の水の気化が促進される。引き続き酸素含有ガスをバブリングなどによって加湿室5に供給すれば、加湿室の水の温度において飽和する量とほぼ等しい量の水蒸気を含む酸素含有ガスを生成できる。従って、電解反応に要するエネルギー以外の余分な外部エネルギーを利用しなくても酸素含有ガスの加湿効率を高めることができる。また、前記特許文献1に開示されるように電解槽の外部に設けられた加湿器から、高濃度の水蒸気を含む酸素含有ガスを各単位セルに供給する場合では、供給途中の配管等で水分が凝縮して十分な量の水蒸気が供給できない他、特に複数の単位セルを有する電解槽では、水分の凝縮の程度が単位セルごとに異なる可能性があり、単位セルごとに水分供給量にばらつきが出るおそれがあるところ、本発明では単位セルごとに加湿室を有しているため、十分な水分量を各単位セルにばらつきなく供給できる。また、陰極室の熱を、加湿室に伝達することで、冷却のための余分なエネルギーを要することなく単位セルの過熱、つまり電解槽の過熱を防止できる。
In the
上述した図1の例では、加湿室5は単位セル1内の陰極室4に隣接しているが、単位セル1内の陽極室3に隣接していても良い(この様に、加湿室5、陽極室3、陰極室4の順で各室を有する単位セルを、以下、B型単位セルという。また陽極室3、陰極室4、加湿室5の順で各室を有する単位セルを、以下、A型単位セルという)。この様なB型単位セルの場合であっても、陽極室3の電気分解反応が発熱反応であるため、その熱を利用することで加湿室5を加熱して水蒸気発生効率を高めることが可能である。また後述する様に、B型単位セルを複数並べて使用する場合があり、そうした場合には加湿室5が、隣の単位セルの陰極室4と隣り合わせになることがある。その場合には、隣の単位セルの陰極室4での発熱反応によって、加湿室5での水蒸気発生効率を高めることができる。
In the example of FIG. 1 described above, the
なお陽極室3で生成した塩素は排出口3cから電気分解後食塩水と共に排出される。また陰極室4で生成した水酸化ナトリウムは、陽極室3からの電気浸透水及び陰極室に送られる酸素含有ガス中の水分により、32.0~34.0%程度の濃度の水酸化ナトリウム水溶液となって、自重で陰極室下方へ流れ、電気分解反応物の排出口4gから酸素含有ガスの排ガスと共に排出される。上述した通り、本発明では十分な量の水分を陰極に供給可能であることから、水酸化ナトリウム水溶液の濃度が濃くなりすぎることがなく、ガス拡散陰極4aやイオン交換膜2の損傷を防止できる。
The chlorine generated in the
単位セル1における隔壁6は、隔壁6の上部を通って加湿室5から陰極室4へ加湿された酸素含有ガスを流通可能である限り、種々の形状の開口部7を有していてもよい。例えば、図2(b)に示す様に、隔壁6の上部に複数の開口部を有していてもよい。隔壁6の上部に設けられる開口部は、図2(a)に示すように隔壁6の上部全面に亘っていてもよいし、図2(b)のように上部面の一部であってもよい。また開口部の個数も特に限定されず、1つであっても複数であってもよく、開口部の形状も特に限定されない。
The
さらに隔壁6は、加湿室5から陰極室4へ加湿された酸素含有ガスを流通可能である限り、開口部7を有さなくてもよい。例えば、図3に示す様に連絡配管8のような外部流路を通って加湿された酸素含有ガスが陰極室4へ供給されてもよい。なお、図3における単位セル1は、図1における開口部7に代えて連絡配管8を有していること以外は、図1に示した単位セルと同じである。
Further, the
なお、前記したB型単位セルを用いる場合、加湿室5から陰極室4への加湿された酸素含有ガスの供給は、加湿室5と陰極室4とを上述した様な連絡配管8で連結することで可能となる。またB型単位セルを複数並べる場合には、加湿室5と隣の単位セルの陰極室4との間に開口部7を形成したり、連絡配管8でつないだりして、加湿室5から隣の単位セルの陰極室4に酸素含有ガスを供給可能にしてもよい。
When the B-type unit cell described above is used, the humidified oxygen-containing gas is supplied from the
上述した様な単位セル(A型単位セル、B型単位セルの両方を含む。以下、同様)において、陽極3aは、食塩水電解用として使用される不溶性陽極であれば特に限定されず、例えばチタンなどの金属で構成されるエクスパンドメタル、ファインメッシュなどのメッシュ構造の基体上に、酸化ルテニウム、酸化チタン、酸化イリジウム、又は白金族金属の酸化物などを含む金属の酸化物を被覆したものを用いることができる。
In the unit cell as described above (including both the A type unit cell and the B type unit cell; the same applies hereinafter), the
イオン交換膜2は、食塩水電解用として使用できるものであれば特に限定されず、例えばカルボン酸及び/又はスルホン酸をイオン交換基とするパーフルオロカーボン型のカチオン交換膜が挙げられる。 The ion exchange membrane 2 is not particularly limited as long as it can be used for saline electrolysis, and examples thereof include a perfluorocarbon type cation exchange membrane having a carboxylic acid and / or a sulfonic acid as an ion exchange group.
ガス拡散陰極4aとしては、酸素陰極法による食塩水電解に用いられるものであれば特に限定されないが、例えば金属製のメッシュ状材、カーボンクロス及び/又は疎水性樹脂等を基材とし、基材の一方の面には親水性の触媒が担持された反応層、他方の面には撥水性のガス拡散層を接合した三層構造のシート状の電極等を用いることができる。触媒としては、銀、白金、金、金属酸化物、カーボン等が挙げられる。ガス拡散陰極は、液を透過するものであってもよいし、液を透過しないものであってもよい。
The
陰極室4において、イオン交換膜2とガス拡散陰極4aの間に液が存在しなければ電流を流すことができなくなる。イオン交換膜2とガス拡散陰極4aが密着していれば毛細管現象により両者の間に液を保持することが可能であるが、より確実に液を保持するため、イオン交換膜2とガス拡散陰極4aの間に液保持層4bが存在することが好ましい。液保持層4bにより、イオン交換膜2とガス拡散陰極4aとの間に均一に水酸化ナトリウム水溶液等の液を保持することができ、電流密度の上昇及び電圧の上昇を防ぐことができる。液保持層は、電解反応により生成する水酸化ナトリウム水溶液(濃度が30数%であり温度が80~90℃程度)を保持する必要性から、親水性及び耐食性が要求される。従って、炭素繊維等のカーボン材料や樹脂からなる多孔質構造体が好ましく用いられる。
In the
2室法が有する利点は、陽極、イオン交換膜及び陰極が互いに接触しており、極間の電気抵抗が小さいため電解電圧を小さくできるという点であり、ガス拡散陰極4aを(必要に応じて液保持層4bを介して)イオン交換膜2に密着させるためには、クッション材4dを圧縮状態で収容してクッション材に反力を生じさせ、その反力を利用してガス拡散陰極4aをイオン交換膜2に密着させることが好ましい。2室法では、イオン交換膜を境界として陽極室には食塩水による液圧が作用し、陰極室にはガス圧が作用している。クッション材の反力は、この液圧とガス圧の差圧に合わせて設計されるが、液圧は食塩水の深さが深いほど大きいため、クッション材の反力を、陰極室上部より下部の方が大きくなるようにすることで、イオン交換膜や陽極に加わる圧力の均等化を図ることができる。このようなクッション材4dとしては、コイル材又はウエーブ加工したマット材を使用することが可能である。コイルは直径方向に弾性を持ち、この方向に反力が生じるため、コイル軸を陰極ガス室背板に並行に配置して使用することができ、コイル材の線径、コイル系、敷設密度を調整することにより、クッション材の反力を上部より下部の方が大きくなるようにすればよい。またウエーブ加工されたマット材は、金属ワイヤーをメリヤス編みしたデミスターメッシュをウエーブ加工したものを用いることができ、ワイヤーの線径、束ねるワイヤー本数、マット材の積層枚数を調整することにより、クッション材の反力を上部より下部の方が大きくなるようにすればよい。
The advantage of the two-chamber method is that the anode, ion exchange membrane, and cathode are in contact with each other, and the electrical resistance between the electrodes is small, so the electrolytic voltage can be reduced. In order to bring the
クッション材4dとガス拡散陰極4aの間には、必要に応じてガス拡散陰極支持体4cを介在させることができる。ガス拡散陰極支持体4cは、クッション材4dの反力を受け止め、均一化してガス拡散陰極4a、液保持層4b、さらにイオン交換膜2に伝達することができる。ガス拡散陰極支持体4cとしては金網等のメッシュ材を使用すればよい。
A gas
クッション材4d及びガス拡散陰極支持体4cのいずれも、陰極室内に収容されるものであり、陰極室は、高温で、高濃度酸素と高濃度水酸化ナトリウム水溶液が存在するという高腐食環境であることから、NiまたはNi含有量が20重量%以上であるNi合金や、さらにこれに銀メッキしたものを用いることが好ましい。
Both the
陽極室3を構成する壁面の材料としては、TiまたはTi含有量が20重量%以上であるTi合金を用いることが好ましい。また、陰極室4、加湿室5を構成する壁面の材料としては、NiまたはNi含有量が20重量%以上であるNi合金や、さらにこれに銀メッキしたものを用いることが好ましい。
As the material of the wall surface constituting the
本発明では、上述した単位セル(A型単位セル又はB型単位セル、好ましくはA型単位セル)を複数並べて電解槽を構成してもよい。単位セルを複数並べる場合、各単位セルを電気的に並列につないだ単極型電解槽にしてもよく、各単位セルを電気的に直列につないだ複極型電解槽にしてもよいが、複極型電解槽が好ましい。以下、加湿室5と陰極室4との間で酸素含有ガスを流通させるための手段として上述した開口部7を有するA型の単一セルを並べた場合を例にとって、単極型電解槽及び複極型電解槽について説明するが、以下の例は、連絡配管8を用いた例、B型単一セルを並べた場合にも適用できる。
In the present invention, a plurality of the above-mentioned unit cells (A type unit cell or B type unit cell, preferably A type unit cell) may be arranged side by side to form an electrolytic cell. When arranging a plurality of unit cells, a single-pole electrolytic cell in which each unit cell is electrically connected in parallel may be used, or a multi-pole electrolytic cell in which each unit cell is electrically connected in series may be used. A multi-pole electrolytic cell is preferable. Hereinafter, the unipolar electrolytic cell and the unipolar electrolytic cell will be described as an example in which a single cell of type A having the above-mentioned
図4は、開口部7を有するA型単位セル1を3つ並べた単極型電解槽の一例を示す概略断面図である。図4の単極型電解槽10では、上記陽極室3、陰極室4、加湿室5の順で並ぶA型単位セルを、正順(陽極室3、陰極室4、加湿室5の順)、逆順(加湿室5、陰極室4、陽極室3の順)、正順、逆順の様に単位セル内の各室の並び順を交互に逆転させながら複数(図示例では3つ)並べられる。各単位セルの陽極は、それぞれ並列に外部電源に接続され、陰極もそれぞれ並列に外部電源に接続される。9は加湿室の水面高さを調整するための貯水タンクである。こうした例でも、陰極室4の熱が加湿室5へ伝わり、酸素含有ガスを効率よく加湿することが可能となる。なお上記の様に単位セル内の各室の並び順を交互に逆転させながら並べる例では、一の単位セル(1)の加湿室5が隣の単位セル(2)の加湿室5と隣接することがある。このような場合には、1つの加湿室5を両単位セル(1)及び(2)が共有してもよい。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a unipolar electrolytic cell in which three
図5は、開口部7を有するA型の単位セルを4つ並べて構成した複極型電解槽の一例を示す概略断面図である。図5の複極型電解槽20では、陽極室3と、加湿室5を内部に有する陰極室4とを有する単位セル1が、陽極室3、陰極室4、加湿室5の順序が繰り返すように、多数(図示例では4つ)並べられており、一の単位セル(1)中の陽極3aは、隣の単位セル(2)中の陰極4aと電気的に導通可能になっており(図示せず)、片端の陰極4aと他端の陽極3aは、それぞれ外部電源とつながることで、各単位セルが直列につながっている。また各単位セルの原料食塩水の供給口3b同士、電気分解後食塩水及び塩素の排出口3c同士、酸素含有ガス供給口5a同士、水供給口5b同士、電気分解反応物の排出口4g同士、均圧ライン4e同士はそれぞれ配管で接続され、水供給口5b及び均圧ライン4eは貯水タンク9に接続されている。この複極型電解槽20の各単位セルでの電解反応の仕組みは、上述した単位セルと同様であるが、単位セルを並べることによって、一の加湿室5は、同じ単位セル中の陰極室4に隣接するだけでなく、隣の単位セル中の陽極室3にも隣接することになる。従って加湿室5は、陽極室3の電解反応で生じる熱と陰極室4の電解反応によって生じる熱の両方を利用して加湿可能となり、加湿時の熱効率をさらに高めることができる。また陽極室3の熱を加湿室5に移すため、陽極室3の冷却を兼ねることもできる。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of a bipolar electrolytic cell in which four A-type unit cells having an
なおB型単位セル(加湿室、陽極室、陰極室の順に並ぶ単位セル)を図5の例の様に、各室の順を代えることなく複数並べて複極型電解槽を構成する場合も、加湿室5が陽極室3と陰極室4に挟まれることになる。このような場合も、陽極室3からの熱と陰極室4からの熱を加湿室5での加湿に利用可能である。
In addition, as shown in the example of FIG. 5, a plurality of B-type unit cells (unit cells arranged in the order of a humidifying chamber, an anode chamber, and a cathode chamber) may be arranged side by side without changing the order of each chamber to form a multi-pole electrolytic cell. The
本願は、平成29年3月30日に出願された日本国特許出願第2017-068057号に基づく優先権の利益を主張するものである。平成29年3月30日に出願された日本国特許出願第2017-068057号の明細書の全内容が、本願に参考のため援用される。 This application claims the benefit of priority based on Japanese Patent Application No. 2017-08857 filed on March 30, 2017. The entire contents of the specification of Japanese Patent Application No. 2017-08857 filed on March 30, 2017 are incorporated herein by reference.
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前記、後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The present invention is not limited by the following examples, and it is of course possible to carry out the present invention with appropriate modifications within a range that can be adapted to the above-mentioned purpose, and all of them are technical of the present invention. Included in the range.
実施例1
図1に示した構造の単位セル(但し、ガス拡散陰極支持体は有さない)を、図5で示すように陽極室、陰極室、加湿室がこの順で繰り返すように5枚並べ、電気的には直列に接続して、複極型の2室法型食塩水電解槽を組立てた。陽極にはペルメレック電極株式会社製DSE(金属基体に、Pt族金属又はその酸化物を主成分として被覆した不溶性金属)を、陰極にはペルメレック電極株式会社製気液透過型カーボン-銀電極(GDE2013)を、イオン交換膜には旭化成ケミカルズ株式会社製4403Dを、液保持層には厚み0.45mmの炭素繊維織物、クッション材には銀メッキを施したらせん状ニッケル線を用いた。 Example 1
Five unit cells having the structure shown in FIG. 1 (however, they do not have a gas diffusion cathode support) are arranged so that the anode chamber, the cathode chamber, and the humidifying chamber repeat in this order as shown in FIG. In particular, they were connected in series to assemble a bipolar two-chamber type saline electrolytic cell. The anode is DSE manufactured by Permerek Electrode Co., Ltd. (an insoluble metal in which a metal substrate is coated with a Pt group metal or its oxide as a main component), and the cathode is a gas-liquid permeation type carbon-silver electrode manufactured by Permerek Electrode Co., Ltd. (GDE2013). ), 4403D manufactured by Asahi Kasei Chemicals Co., Ltd. was used for the ion exchange film, a carbon fiber woven fabric having a thickness of 0.45 mm was used for the liquid holding layer, and a silver-plated spiral nickel wire was used for the cushion material.
陽極室には、濃度218g/Lで温度53.8℃の食塩水を、183L/m2/hの割合で供給し、加湿室には水を貯めておき、温度25℃、濃度93.0%、必要理論量の1.5倍モルの酸素含有ガス(後記する表1で示す「電解槽に供給される酸素含有ガス」に相当)を加湿室の水中にバブリングして供給した。加湿室の温度が84.0℃であることから、陰極室に供給される時点では、加湿された酸素含有ガスの温度は約84.0℃となっている。電流密度5.65kA/m2で電解を行い、10日経過時の各種値を測定した。A saline solution having a concentration of 218 g / L and a temperature of 53.8 ° C. is supplied to the anode chamber at a ratio of 183 L / m 2 / h, and water is stored in the humidifying chamber to a temperature of 25 ° C. and a concentration of 93.0 ° C. %, 1.5 times the required theoretical amount of oxygen-containing gas (corresponding to "oxygen-containing gas supplied to the electrolytic cell" shown in Table 1 below) was bubbled into the water of the humidifying chamber and supplied. Since the temperature of the humidifying chamber is 84.0 ° C., the temperature of the humidified oxygen-containing gas is about 84.0 ° C. at the time of being supplied to the cathode chamber. Electrolysis was performed at a current density of 5.65 kA / m 2 , and various values were measured after 10 days.
比較例1
単位セル内に加湿室を有さないが、それ以外の陽極、陰極、イオン交換膜等の材質や陰極室、陽極室等の大きさは実施例1と同様の単位セルを、陽極室、陰極室の順が繰り返すように5枚並べ、電気的には直列に接続して複極型の従来型の2室法型食塩水電解槽を組立てた(図示せず)。 Comparative Example 1
Although there is no humidifying chamber in the unit cell, other materials such as the anode, cathode, and ion exchange membrane, and the size of the cathode chamber, anode chamber, etc. are the same as in Example 1, and the unit cell is used in the anode chamber and cathode. Five sheets were arranged so that the order of the chambers was repeated, and electrically connected in series to assemble a multi-pole conventional two-chamber cathode electrolyte electrolytic cell (not shown).
陽極室には、濃度219g/Lで温度51.4℃の食塩水を、183L/m2/hの割合で供給した。各単位セルの陰極室は、電解槽の外部に設けられた1台の加湿器に接続し、前記加湿器では、濃度93.0%で必要理論量の1.5倍モルの酸素含有ガスを加湿器の水中(25℃)にバブリングして、25℃の加湿された酸素含有ガスを生成させ、当該加湿された酸素含有ガスをそのままの温度で陰極室に供給した。電流密度5.65kA/m2で電解を行い、10日経過時の各種値を測定した。なお、比較例1は実施例1とは異なり、単位セル内に加湿室を有さず外部加湿機から加湿された酸素含有ガスを供給するため、後記する表1で示す「電解槽に供給される酸素含有ガス」と「陰極室に供給される酸素含有ガス」は同じものを意味する(以下の比較例2~4についても同様)。A saline solution having a concentration of 219 g / L and a temperature of 51.4 ° C. was supplied to the anode chamber at a rate of 183 L / m 2 / h. The cathode chamber of each unit cell is connected to one humidifier provided outside the electrolytic tank, and the humidifier contains an oxygen-containing gas at a concentration of 93.0% and 1.5 times the required theoretical amount of oxygen-containing gas. The humidifier was bubbled in water (25 ° C.) to generate a humidified oxygen-containing gas at 25 ° C., and the humidified oxygen-containing gas was supplied to the cathode chamber at the same temperature. Electrolysis was performed at a current density of 5.65 kA / m 2 , and various values were measured after 10 days. In addition, unlike Example 1, Comparative Example 1 does not have a humidifying chamber in the unit cell and supplies oxygen-containing gas humidified from an external humidifier, so that it is supplied to the electrolytic cell shown in Table 1 below. "Oxygen-containing gas" and "oxygen-containing gas supplied to the cathode chamber" mean the same thing (the same applies to Comparative Examples 2 to 4 below).
比較例2
比較例1における外部加湿器の水の温度を84℃とし、84℃で生成する加湿された酸素含有ガスをそのまま陰極室に供給した(加湿器への入熱は約5.2MJ/m2/h)こと以外は比較例1と同じにして、10日経過時の各種値を測定した。 Comparative Example 2
The temperature of the water in the external humidifier in Comparative Example 1 was set to 84 ° C., and the humidified oxygen-containing gas generated at 84 ° C. was supplied to the cathode chamber as it was (heat input to the humidifier was about 5.2 MJ / m 2 /). h) Various values were measured after 10 days in the same manner as in Comparative Example 1 except for the above.
比較例3
比較例2と同様の構成において、更に加湿器と各単位セルの陰極室とをつなぐ配管の周りを保温強化して加湿された酸素含有ガスの温度が下がらないようにし、10日経過時の各種値を測定した。なお、加湿器への入熱は、比較例2と同様、約5.2MJ/m2/hであった。 Comparative Example 3
In the same configuration as in Comparative Example 2, the temperature around the pipe connecting the humidifier and the cathode chamber of each unit cell is further strengthened to keep the temperature of the humidified oxygen-containing gas from dropping, and various types after 10 days have passed. The value was measured. The heat input to the humidifier was about 5.2 MJ / m 2 / h, as in Comparative Example 2.
実施例2
実施例1と同様の電解槽を、300日稼働した後の各種値を測定した。 Example 2
Various values were measured after operating the same electrolytic cell as in Example 1 for 300 days.
比較例4
比較例1と同様の電解槽を、300日稼働した後の各種値を測定した。 Comparative Example 4
Various values were measured after operating the same electrolytic cell as in Comparative Example 1 for 300 days.
実施例及び比較例の測定結果を表1、2に示す。表2は、生成した水酸化ナトリウム水溶液の濃度と、電流効率について、5つの単位セルの平均値を示すと共に、各単位セルの値と平均値との差を示す。 The measurement results of Examples and Comparative Examples are shown in Tables 1 and 2. Table 2 shows the average value of the five unit cells for the concentration of the generated sodium hydroxide aqueous solution and the current efficiency, and shows the difference between the value and the average value of each unit cell.
実施例1では、電解反応の反応熱により、加湿室の温度が陽極室の温度と同等になっており、生成した水酸化ナトリウム水溶液の濃度が32.2%で濃くなりすぎていないことから、十分な量の水蒸気が供給できていることが分かる(表1)。また、生成した水酸化ナトリウム水溶液の濃度と、電流効率について、5つの単位セル同士のばらつきが小さく抑えられていることから、各単位セルの陰極室への供給水蒸気量のばらつきが小さいことが分かる(表2)。また、実施例1を長期間稼働させた実施例2では、300日経過しても96.3%という良好な電流効率を示す他、その他の値についても実施例1とほぼ同等の良好な結果が得られている。また、実施例2では十分な量の水蒸気を供給できるため、生成する水酸化ナトリウム濃度を低く維持でき、ガス拡散陰極の損傷が抑制されていることから、電解槽の稼働から300日経過後のガス拡散陰極の電圧の変化は、5つの単位セルの平均値で45mVと小さかった。なお、各単位セルにおけるガス拡散陰極の電圧の変化はそれぞれ、78mV、15mV、45mV、33mV、54mVであった。 In Example 1, the temperature of the humidifying chamber is equal to the temperature of the anode chamber due to the heat of reaction of the electrolytic reaction, and the concentration of the generated sodium hydroxide aqueous solution is 32.2%, which is not too high. It can be seen that a sufficient amount of water vapor can be supplied (Table 1). Further, since the variation between the five unit cells is kept small in terms of the concentration of the generated sodium hydroxide aqueous solution and the current efficiency, it can be seen that the variation in the amount of water vapor supplied to the cathode chamber of each unit cell is small. (Table 2). Further, in Example 2 in which Example 1 was operated for a long period of time, a good current efficiency of 96.3% was shown even after 300 days had passed, and other values were almost the same as those in Example 1. Has been obtained. Further, in Example 2, since a sufficient amount of water vapor can be supplied, the concentration of sodium hydroxide produced can be kept low, and damage to the gas diffusion cathode is suppressed. Therefore, the gas 300 days after the operation of the electrolytic cell is performed. The change in the voltage of the diffusion cathode was as small as 45 mV on average of the five unit cells. The changes in the voltage of the gas diffusion cathode in each unit cell were 78 mV, 15 mV, 45 mV, 33 mV, and 54 mV, respectively.
一方、外部加湿器から加湿された酸素含有ガスを供給した比較例1では、外部加湿器の温度が25.0℃であることから、ガス中の水蒸気圧が低く、生成した水酸化ナトリウム水溶液の濃度が34.6%と高くなっていることから、水蒸気の供給量が不十分であることが分かる(表1)。 On the other hand, in Comparative Example 1 in which the oxygen-containing gas humidified from the external humidifier was supplied, since the temperature of the external humidifier was 25.0 ° C., the water vapor pressure in the gas was low, and the generated sodium hydroxide aqueous solution Since the concentration is as high as 34.6%, it can be seen that the amount of water vapor supplied is insufficient (Table 1).
比較例2は、酸素含有ガス中の水蒸気圧を高くするため外部加湿器の温度を84℃に変更した例であり、外部加湿器での水温上昇のためのエネルギーを要している。生成した水酸化ナトリウム水溶液の濃度の平均値は32.2%であり、平均的には十分な量の水蒸気の供給ができているが、表2に示す通り、水酸化ナトリウム濃度及び電流効率共に、単位セルごとのばらつきが大きくなっている。これは、外部加湿器から各単位セルの陰極室へ加湿された酸素含有ガスを導入する途中で水分が凝縮し、その凝縮度合いが単位セルごとに異なったためと考えられる。また、電解槽の外部から高温の酸素含有ガスを供給しており、電解槽の過熱を防ぐため、陽極への供給食塩水を低温のものとする必要が生じており(実施例1での供給食塩水の温度が53.8℃であり、これは食塩電解工場における一般的な温度範囲であるのに対し、比較例2の供給食塩水の温度は47.0℃)、供給食塩水の冷却のための余分なエネルギーが必要となっている。 Comparative Example 2 is an example in which the temperature of the external humidifier is changed to 84 ° C. in order to increase the water vapor pressure in the oxygen-containing gas, and energy for raising the water temperature in the external humidifier is required. The average concentration of the generated sodium hydroxide aqueous solution is 32.2%, and a sufficient amount of water vapor can be supplied on average. However, as shown in Table 2, both the sodium hydroxide concentration and the current efficiency are both. , The variation for each unit cell is large. It is considered that this is because the moisture condenses during the introduction of the humidified oxygen-containing gas from the external humidifier into the cathode chamber of each unit cell, and the degree of condensation differs for each unit cell. Further, a high-temperature oxygen-containing gas is supplied from the outside of the electrolytic cell, and in order to prevent overheating of the electrolytic cell, it is necessary to use a low-temperature saline solution supplied to the anode (supply in Example 1). The temperature of the saline solution is 53.8 ° C., which is a general temperature range in a salt electrolytic cell, whereas the temperature of the supplied saline solution in Comparative Example 2 is 47.0 ° C.), and the cooling of the supplied saline solution is performed. Extra energy is needed for.
比較例3は、比較例2における外部加湿器からの配管に保温強化をした例であり、比較例2と同様に、外部加湿器での加熱のためのエネルギーを要している。比較例3では、配管内での水の凝縮が抑制された結果、生成した水酸化ナトリウム濃度及び電流効率の、セルごとのばらつきは抑えられたものの、比較例2と同様に供給食塩水の冷却のための余分なエネルギーが必要となっている。 Comparative Example 3 is an example in which the piping from the external humidifier in Comparative Example 2 is heat-insulated, and requires energy for heating by the external humidifier as in Comparative Example 2. In Comparative Example 3, as a result of suppressing the condensation of water in the pipe, the variation in the generated sodium hydroxide concentration and the current efficiency from cell to cell was suppressed, but the cooling of the supplied saline solution was suppressed as in Comparative Example 2. Extra energy is needed for.
比較例4は、比較例1と同条件で300日間、電解槽を稼働した例であり、電解槽の稼働から300日経過後のガス拡散陰極の電圧の変化は、5つの単位セルの平均値で108mVであり、実施例2に比べて随分と高い値となり、また電流効率も96.0%と実施例2に比べて低くなった。これは、比較例1と同様、比較例4で生成する水酸化ナトリウム水溶液濃度が34.6%であり、実施例1、2の水酸化ナトリウム水溶液濃度32.2%よりも2%以上も高いため、ガス拡散陰極が損傷したことが原因と考えられる。なお、各単位セルにおけるガス拡散陰極の電圧の変化はそれぞれ、123mV、66mV、114mV、108mV、129mVであった。 Comparative Example 4 is an example in which the electrolytic cell was operated for 300 days under the same conditions as Comparative Example 1, and the change in the voltage of the gas diffusion cathode after 300 days from the operation of the electrolytic cell is the average value of the five unit cells. The voltage was 108 mV, which was considerably higher than that of Example 2, and the current efficiency was 96.0%, which was lower than that of Example 2. As in Comparative Example 1, the concentration of the sodium hydroxide aqueous solution produced in Comparative Example 4 is 34.6%, which is more than 2% higher than the concentration of the sodium hydroxide aqueous solution of Examples 1 and 2 of 32.2%. Therefore, it is considered that the cause is that the gas diffusion cathode is damaged. The changes in the voltage of the gas diffusion cathode in each unit cell were 123 mV, 66 mV, 114 mV, 108 mV, and 129 mV, respectively.
1 単位セル
2 イオン交換膜
3 陽極室
3a 陽極
4 陰極室
4a ガス拡散陰極
5 加湿室
6 隔壁
7 開口部
8 連絡配管
10 単極型電解槽
20 複極型電解槽1 Unit cell 2
Claims (12)
前記単位セルは、前記陰極室に供給するための加湿された酸素含有ガスを生成する加湿室を更に有し、
該加湿室は、前記陰極室との間に隔壁を有しており、
該加湿室は、該単位セル内の前記陽極室もしくは陰極室、又は隣接する単位セルの陽極室もしくは陰極室に熱交換可能に隣接しており、陽極室又は陰極室からの熱によって水蒸気を発生させることで前記酸素含有ガスを加湿することを特徴とする水酸化ナトリウム及び/又は塩素の製造方法。 A two-chamber method salt solution electrolytic cell having one or more unit cells having an anode chamber with a built-in anode and a cathode chamber with a built-in gas diffusion cathode across an ion exchange membrane is used, and the anode chamber is a saline solution. A method of supplying a humidified oxygen-containing gas to the cathode chamber and electrolyzing a saline solution to produce sodium hydroxide and / or chlorine.
The unit cell further comprises a humidifying chamber that produces a humidified oxygen-containing gas to supply to the cathode chamber.
The humidifying chamber has a partition wall between the humidifying chamber and the cathode chamber.
The humidifying chamber is heat-exchangeably adjacent to the anode chamber or the cathode chamber in the unit cell, or the anode chamber or the cathode chamber of the adjacent unit cell, and generates water vapor by the heat from the anode chamber or the cathode chamber. A method for producing sodium hydroxide and / or chlorine, which comprises humidifying the oxygen-containing gas by allowing it to be heated.
前記陽極室は、陽極を内蔵し、原料食塩水の供給口と電気分解後食塩水の排出口及び塩素排出口を備え、前記陰極室は、ガス拡散陰極を内蔵し、加湿された酸素含有ガスの供給部と電気分解反応物の排出口を備え、
前記単位セルは、前記陰極室に供給するための酸素含有ガスを生成する加湿室を更に有し、
該加湿室は、前記陰極室との間に隔壁を有しており、
該加湿室は、前記単位セル内の前記陽極室或いは陰極室、又は隣接する単位セルの陽極室或いは陰極室に熱交換可能に隣接しているとともに、酸素含有ガス供給口を備えている2室法型食塩水電解槽。 A two-chamber saline electrolytic cell having one or more unit cells having an anode chamber and a cathode chamber with an ion exchange membrane in between.
The anode chamber has a built-in anode and includes a supply port for raw saline solution, a discharge port for electrolyzed saline solution, and a chlorine discharge port. The cathode chamber has a built-in gas diffusion cathode and is a humidified oxygen-containing gas. Equipped with a supply unit and an outlet for electrolyzed reactants
The unit cell further comprises a humidifying chamber that produces an oxygen-containing gas to supply to the cathode chamber.
The humidifying chamber has a partition wall between the humidifying chamber and the cathode chamber.
The humidifying chamber is adjacent to the anode chamber or cathode chamber in the unit cell, or the anode chamber or cathode chamber of the adjacent unit cell so as to be heat exchangeable, and is provided with an oxygen-containing gas supply port. Legal saline electrolytic cell.
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