JPH0459986A - ペルオキシ二硫酸アンモニウムの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 牽！上Ω烈里分野 本発明は、プリント基板工業の銅基板処理剤、写真用薬
剤、酸化剤、高分子樹脂合成用反応触媒等に用いられる
工業薬品であるペルオキシ二硫酸アンモニウムの製造方
法に関するものである。より詳しくは、低電圧、高電流
効率、及び製造工程の単純化をもたらすベルオキンニ硫
酸アンモニウムの電解製造方式に関するものである。

従来技術 ペルオキシ二硫酸アンモニウム［（ＮＨ４）２Ｓ２０８
］は、硫酸水素アンモニウム溶液又は、若干の硫酸を含
んだ硫酸アンモニウム溶液に少量の添加剤を加えた溶液
を陽極液とし、硫酸溶液又は、硫酸と硫酸アンモニウム
の混合溶液を陰８Ｆｌ液として、陽極の電解酸化反応に
より工業的に製造されている。

陽極液に硫酸アンモニウム溶液を用いた場合、陽極反応
は次式で表わされる。

陽極）　　　　２　ＳＯニー　−８２０’、−＋　　２
ｅ　　　　　（１１副反応は（２）式の水の電解反応で
あり、陽極における電流効率低下の要因となる。

副反応）　　２Ｈ２０−０□＋　４Ｈ”　＋　４ｅ　　
　　（２１電位的には（２）式の反応の方が起こりやす
いため、■酸素過電圧の高い平滑白金等の陽極を用いる
、■添加剤を加える、■電流密度を高くする、■陽極液
中の硫酸イオン濃度を高く維持する、などによって（２
）式の反応を抑制し、目的とする（１）式の電流効率を
高めている。

陽極液と陰極液は通常多孔質磁性隔膜で分離されており
、陽極で生成したＳ２Ｏ：が陰極側に拡散し次式で消費
されるのをできるだけ防いでいる。

副反応）　　Ｓ２０ニー　＋　２ｅ−−２ＳＯニー　　
　　　　（３］陽極で生成したＳ２Ｏ：は、陽極側の液
循環系において溶解度差を利用して冷却分離し、製品で
ある（ＮＨ４）２Ｓ２０８として系外に取り出されてい
る。

一方、陰極には鉛や黒鉛が用いられ、反応は次式の水素
発生反応である。

陰極）　　　　２Ｈ”　＋　　２ｅ７　−　　Ｈ２（４
１陰極液中ではＨ゛イオン消費され、陽極室からＮＨ：
イオンが電気的に運ばれてくるので、陰極反応に無関係
なＮＨ：イオンが蓄積することになる。このため電解中
に陰極液の一部あるいは全部を抜き取り、新たな陰極液
を補給する。抜き取った陰極液は、アンモニアを加える
などして調整し、陽極側に戻す操作が実施されている。

この際、過剰水分が陽極液に持ち込まれることになるた
め、陽極液濃度を維持するべく陽極液循環系には濃縮工
程が設けられている。

なお、陽極液中では次式のペルオキシ二硫酸イオンの加
水分解反応を抑制するため溶液温度が低くたもたれる。

副反応）　　ｓ２ｏニー　＋　Ｈ２０→ｓｏ：　　＋　
Ｈ２ＳＯ，（５）発明が解決しようとする課題 以上のように、ペルオキシ二硫酸アンモニウムの製造に
おいては、電流効率の低下をできるだけ抑えるため、溶
液中の各イオンの濃度や溶液温度などの複雑な溶液管理
、物質収支管理の下に操業されている。また、（１）式
の主反応は、一般１こ電流密度が高い程起こりやすいの
で比較的高し）操業電流密度が選択されるが、摺電圧は
高くなって電力原単位の上昇を招いている。すなわち、
従来技術の問題点は、複雑な溶液管理等による製造工程
上の制御の困難性と、電流効率及び摺電圧など性能面に
おける問題点に集約できる。以下、これらの問題点の原
因に触れる。

複雑な溶液管理をもたらしている原因は、多孔質磁性隔
膜の使用と陰極液へのＮＨ：イオンの蓄積である。多孔
質磁性隔膜は実用材料として十分な耐性を有するが、イ
オン選択性を持っていないｔこめ、ペルオキシ二硫酸イ
オンの陽極から陰極への拡散を完全に防止することがで
きず、（３）式の副反応による電流効率の低下を招く。

そのため陰極液のレベルを陽極液より若干高くなる様に
して、ヘッド差によりできるだけ陽極液の拡散を防止し
ているが、このレベル管理も極めて微妙且つ困難な操作
となっている。また、拡散防止効果を維持するため多孔
質磁性隔膜の厚みは３ｍｍ程度と大きく、乙のため隔膜
抵抗が大きくなって槽電圧増大すなわち電力原単位の増
大をもたらしている。

一方、陰極液へのＮＨ：イオンの蓄積に対しては、蓄積
した陰極液の一部あるいは全部を陽極液側に戻す操作に
よって対応しているが、その陰極液の量は陰極側に移行
するＮＨ：イオンの量が常時変化するため制御が困難で
あると共に、陰極液を戻すことによって陽極液側に多量
の水分を持ち込むことになるため、これを濃縮する多大
なエネルギーが必要になる。

上述の多孔質磁性隔膜使用の欠点を補う方法としては、
特公昭５２−１０８２４号記載のジクロルジフェニルス
ルホン／ビスフェノール共縮合樹脂を母体とする多孔質
合成樹脂膜を使用する方法、特開昭５５−３４７００号
記載の陽イオン交換膜を使用する方法、特開昭５７−１
９８２７５号記載の陽イオン交換膜に気液透過性の多孔
質層を形成させた膜を使用する方法が提案されている。

いずれの方法も多孔質磁性隔膜より膜抵抗が低く摺電圧
が低下するとされている。また、陽イオン交換膜を使用
する方法においては、ペルオキシ二硫酸イオンの陰極側
への拡散を阻止する効果も記載されている。

しかしながら、いずれの方法においても陰極側へのＮＨ
４イオンの移行及び陰極液中へのＮＨ：イオンの蓄積ｌ
よ避けられず、陰極液の抜き取り、陽極液への返送、過
剰水分のａ縮等の操作は不可欠であり、工程管理の複雑
性や困難性；ま何ら改善されない。

本発明の目的はこれら従来技術の問題点を解決すること
にある。

課題を解決するための手段 本発明者は、上記従来技術の問題点に鑑みて鋭意研究を
重ねた結果、ペルオキシ二硫酸アンモニウムを電解製造
するｌこあたり、陰イオン交換樹脂膜を陽極液と陰極液
の隔膜に用し）れば、陰極側へのＮＨ：イオンの移行を
抑制できることだけでなく、電流効率が優れろ乙とを見
出し、本発明を完成するにいたった。

本発明は、プロトンまたはアンモニウムイオンを伴った
硫酸イオンの水溶液を電気分解して、ペルオキシ二硫酸
アンモニウムを製造する方法において、陽極及び陰極間
を陰イオン交換膜で区画することを特徴とするベルオキ
シニ硫酌アンモニウムの製造方法である。

以下、本発明の詳細な説明する。

陽極液中に存在するイオンは、原料のＳＯニー、ＮＨ：
、生成物のＳ２Ｏニー、その他陽極液に硫酸を加えてい
る場合或いは（２）式の副反応で生成するＨ＋が存在す
る。一方、陰極液中には、Ｈ＋、Ｓ０４が存在し、硫酸
と硫酸アンモニウムの混合溶液を陰極液として用いた場
合にはこれらにＮＨ：が加わる。電解中においては、隔
膜としてイオン選択性のない多孔質隔膜を用いた場合、
陰極室のＳＯニーは陽極室へ、陽極室のＮＨ：とＨ＋は
陰極室へ移動する。隔膜として陽イオン交換膜を用いた
場合には、ＳＯンの陽極室への移動が抑制され、陽極室
のＮＨ：とＨ＋が選択的に陰極室に移動する。本発明の
ように、陰イオン交換膜を陰極と陽極の間に配置すれば
、陰極へのＮＨ：の移動が阻止されて、陰極から選択的
にＳＯニーが移動することになる。従って、原則的には
、陰極側に硫酸を、陽極側にはＮＨ：を補給すれば良い
ことになり、陰極液の抜き取９、陽極液への返送、過剰
水分のＳ縮等の操作は不要になる。特公昭５２−１０８
２４号、特開昭５５−３４７００号、特開昭５７−１９
８２７５号に記載されたような隔膜では、このような効
果が期待できない。

ところで、隔膜として陰イオン交換膜を用いると、電場
による移動はないものの拡散によって陽極室から生成物
であるＳ２０：イオンが陰極室に移動し、（３）式の副
反応による電流効率低下の恐れが生じる。しかし、意外
にも電流効率がかえって上昇する現象を本発明者は見出
したのである。即ち、従来の多孔質磁性隔膜に代えて、
抵抗の低いイオン交換膜を用いることにより摺電圧（電
力原単位）を低下させ、陰イオン交換膜を用いることに
より、陰極液の抜き取り、陽極室への返送、過剰水分の
濃縮などの複雑な操作が不要或いは大幅な簡略化が可能
になり、従来の問題点を解決したばかりか、他の隔膜を
用いるより電流効率の高い製造が可能；こなったのであ
る。従来前えられなかった電流効率の向上について鋭意
研究の結果、その原因は以下の理由によることが判明し
た。

即ち、電解中ば陰極室から陽極室へＳＯニーイオンが膜
を透過しており、これらのイオンの流れに逆らって陽極
室の８２０、イオンが陰極室に拡散し難いために、Ｓ２
Ｏニーの拡散が実質上阻止され、（３）式の副反応によ
る電流効率低下が無視できること、更に、陽極の主反応
（１）式によるＳＯニーの消費量の約１．％当量に相当
するＳＯ，が膜を透過して陰極側から補給されるため、
陽極液中のＳＯンイオン濃度が従来の隔膜（多孔性磁性
隔膜、陽イオン交換膜等）を用いた場合より常に高い濃
度に維持され、（２）式の副反応が起こり難いことによ
ることが分かった。尚、従来の隔膜に密着させて陽極を
配置した場合には、電極と隔膜間に電解液が存在しない
分だけ抵抗が低くなって摺電圧低下には好ましいが、液
の拡散による陽極表面へのＳＯ：イオンの補給が不十分
となって電流効率が低下する傾向にあ）た。陰イオン交
換膜を用いた場合には、腹側からＳＯンが補給されるた
め陽極表面におけるＳＯニーイオンの濃度が常時高い濃
度に維持され、電流効率が低下しないことも判明した。

以下に本発明の具体的な構成を示す。

本発明において使用される電極としては、何れの形式の
電極も使用可能であり、例えば、テープ状薄板、多孔板
、網、又はエキスバンドメタルなどの電極が使用出来ろ
。陽極としては、通常白金族金属又はその酸化物が使用
され、一方陰極としては、白金族金属、鉛、黒鉛、ニッ
ケル等が使用される。

尚、白金族金属としては、白金、ロジウム、ルテニウム
、パラジウム、イリジウムが例示される。

上記陽極又は陰極を陰イオン交換膜を介して配置する場
合、ｌＥ極１１３ＥＦましくけ陰イオン交換膜に密着さ
せて配置するのがセル電圧を低下させる為に効果的であ
り、電流効率も低下しない。しかし、これらの陽極又は
陰極は必ずしも陰イオン交換膜と密着させて配置する必
要はなく、場合により適当な間隔をおいて配置してもよ
い。

電解に際し、その電流密度は１０〜２０　ＯＡ／ｄｍ’
　（隔膜）にする乙とが可能であるが、好ましくは１０
〜１００　Ａ／ｄｍ”（隔膜）を採用するのが適当であ
る。

本発明に用いられる陰イオン交換膜の具体例としては、
スチレン・ブタジェンラテックスを硝子繊維布に塗布重
合しクロルメチル化・アミノ化反応により交換基を付与
したもの、ポリエポキシ化合物にメタフェニレンジアミ
ンを加えこれをポリエステル布のごとき薄い布に含浸さ
せて縮合硬化させたもの、反応性陰イオン交換基又は陰
イオン交換基に変換しうる官能基を有する膜状高分子フ
ィルムを常法によりアミノ化したもの、ポリエチレン、
ポリ塩化ビニルなどの薄い合成樹脂フィルムにスチレン
・ビニルピリジンを含浸重合後常法によりアミノ化した
もの、テトラブルオロエチレンビニルモノマーと第４９
アンモニウム基を含有したフルオロビニルモノマーを共
重合したものなど、どの様なタイプの物でも使用可能で
あるが、耐熱性、耐酸性、耐酸化性等の面から、第４級
アンモニウム基を持ち、且つ、主鎖がペルフルオロカー
ボン重合体からなる陰イオン交換膜を採用するのが特に
好ましい。

更に、電気抵抗はできるだけ小さく、且つ物理強度はで
きるだけ大きくという隔膜としての実用性の観点から、
イオン交換容量が０５〜３０ミリ当量／グラム乾燥樹脂
、厚みが５０〜５００μｍであるのが好ましく、又、必
要によりポリテトラフルオロエチレンなどの含フツ素重
合体からなる布、網などの織物、不織布、糸などで補強
することができる。

陽８Ｆｌ液としては、１０〜４０重量％の硫酸水素アン
モニウム溶液又は、０〜５重量％の硫酸を含んだ１０〜
３５重量％の硫酸アンモニウム溶液が用いられ、生成物
であるペルオキシ二硫酸アンモニウムが０〜３０重量％
含有される場合もある。又、電解促進剤として、シアン
化物、チオシアン酸塩、フッ化物、塩素化物、シアナミ
ド、尿素、チオ尿素のごとき化合物を少量添加すること
もある。

陰極液としては、１０〜３０重量％の硫酸溶液が用いら
れるが、陽極側より僅かに移行するＮＨ：イオンの蓄積
により、硫酸アンモニウムが０〜４０重量％含有される
場合もある。

発明の効果 本発明によれば、以下のような顕著な効果が達成される
。

■　陰極液の抜き取りと補給、陽極室への返送とそれに
伴う液調整、陽極室に持ち込まれた過剰水分の濃縮が不
要になり、溶液管理と製造工程の大幅な簡略化に伴う省
力化と省エネルギーが達成される。

■　高い電流効率で製造できる。

■　従来の多孔質磁性隔膜より隔膜抵抗が低く、又、電
極を膜に密着させても電流効率が低下しないので、全体
として摺電圧が低くなり、このため高い電流密度で操業
でき電解槽の生産性及び電力原単位を向上することがで
きる。

以下に本発明の実施例及び比較例を挙げ、本発明をより
一層明瞭なものとする。

大塵形 ポリ四フッ化エチレン鎖を骨格としたフッ素系陰イオン
交換膜（溶液部面積０．５ｄｍ″）を隔膜とした電解槽
に、陰イオン交換膜の陽極側に５５メツシユの白金金網
（有効表面積０．５ｄｍ”）を、また陰極側にも同様の
白金金網を膜に加圧接触させ、陽極室に硫酸１ｗｔ％、
硫酸アンモニウム２８ｗｔ％、ペルオキシ二硫酸アンモ
ニウム（ＡＰＳ）１６ｗｔ％、及びチオシアン酸アンモ
ニウムを０．５ｇ／ｌ含有した混合液を循環供給し、又
陰極室に３０ｗｔ％の硫酸水溶液を循環供給しつつ、３
０℃にて電解を行った。電流密度を２０．４０．６０．
１００Ａ／ｄｍ”に保ち、それぞれ約３５ＡＨの電解を
行ったところ、表１に示す結果を得た。なお、陰極液は
繰り返し使用し、硫酸アンモニウムが大略飽和溶解度に
なった濃度（硫酸アンモニウム４０ｗｔ％。

硫酸５ｗｔ％、水５５ｗｔ％）で抜き取りを開始するも
のとして抜き取り陰極液量及び過剰水分量を計算した。

表１ ９ｍ度　　　　　　　　　　　（Ａ／ｄｍつ　　　　２
０　　　　　　４０　　　　　　６０　　　　　　８０
　　　　　１００平均セル電圧　　　ｍ　　　２．５０
　　　λ＆４　　４，２０　　４，５３　　４．９０Ｗ
　　　（％）　　８７，６８８，７９０，０９１．３９
２．０陰橿室へのＮＨ：輸率　　　　０．０５　　０．
０６　　０．０６　　０．０６　　０．０６電解電力原
単位０＠Ｌ／ｋｇＡＰｓ）　　０．９３９　１．０１ｇ
　　１．０９７　１．１６６　１．２５２旨蝕ＷＩＪｋ
　（ｋｍｇ経Ｓ）　０．０８３０．０９８０．０９Ｂ　
０．．０９５０．０９４ＰａｆｌＦ、’ｔ’ｆｌ　　（
ｋｇ／ｋｇＡＰｓ）　０．０４５０．０５４０．０５３
０．０５２０．０５２表２ 電流密度　　　　　（Ａ／ｄｍ”）　　　　１０平均セ
ル電圧　　　（Ｖ）　　　　４．８３電流効率　　　　
　　（％）７００ 陰掻室へのＮＨ：輸率　　　　　　０７４電解電力原単
位（３）へ八ｇ　ＡＰＳ）　　　１．６２２陰極液抜収
量　（ｋｇＡｇ　ＡＰＳ）　　　１．５３０過剰水分量
　　（ｋｇＡｇ　ＡＰＳ）　　　０．８４１１、５３７ ０＆４６ ０、８５４ 電流密度４０＾／ｄｍ“以上では多孔質磁性隔膜の電気
抵抗に起因する発熱のため、液温の制御が不可能となり
、テストを中止した。

比怠１］ 実施例において、隔膜としてフッ素系陰イオン交換膜に
代えて、多孔質磁性隔膜を使用し、テストした電流密度
の範囲を変えた以外は実施例と全く同様の条件にて電解
テストを実施し、表２に示す結果を得た。

比較例２ 実施例において、隔膜としてフッ素系陰イオン交換膜に
代えて、フッ素系陽イオン交換膜を使用した以外は実施
例と全く同様の条件にて電解テストを実施し、表３に示
す結果を得た。

電流密度　　　　　（Ａ／ｄｍつ 平均セル電圧　　　（Ｖ） 電流効率　　　　　１％） 陰極室へのＮＨ：輸率 電解電力原単位（Ｋ！’ＩＩ／ｋｇ　ＡＰｓ）陰極液抜
取量　（ｋｇ／ｋｇ　ＡＰＳ）過剰水分量　　（ｋｇＡ
ｇ　ＡＰＳ） 表３ ３．５８４．０１ ８０、４　　８３．０ ０．９５０，９０ １．０４７１．１３６ １．７１０１．５６９ ０．９４１０．８６３ ｇ＆８ １、４８８ １、３１９ 特許出臥 工業技術院長 杉 浦

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プロトンまたはアンモニウムイオンを伴った硫酸イ
   オンの水溶液を電気分解して、ペルオキシ二硫酸アンモ
   ニウムを製造する方法において、陽極及び陰極間を陰イ
   オン交換膜で区画することを特徴とするペルオキシ二硫
   酸アンモニウムの製造方法。 ２、陰イオン交換膜が、ポリ四フッ化エチレン鎖を骨格
   とし第四級アンモニウム基をイオン交換基とするフッ素
   系陰イオン交換膜である請求項１記載の方法。 ３、陽極及び陰極を陰イオン交換膜に密着させて配置し
   てなる請求項２記載の方法。