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JP7787754B2 - Solid electrolyte electrolytic device and method for producing polycarbonate and polyurethane using the same - Google Patents
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JP7787754B2 - Solid electrolyte electrolytic device and method for producing polycarbonate and polyurethane using the same - Google Patents

Solid electrolyte electrolytic device and method for producing polycarbonate and polyurethane using the same

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JP7787754B2 JP2022043491A JP2022043491A JP7787754B2 JP 7787754 B2 JP7787754 B2 JP 7787754B2 JP 2022043491 A JP2022043491 A JP 2022043491A JP 2022043491 A JP2022043491 A JP 2022043491A JP 7787754 B2 JP7787754 B2 JP 7787754B2
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Description

本開示は、固体電解質形電解装置並びにそれを用いたポリカーボネート及びポリウレタンの製造方法に関する。 This disclosure relates to a solid electrolyte electrolysis device and a method for producing polycarbonate and polyurethane using the same.

二酸化炭素(以降、COと略す場合がある)は化石燃料などからエネルギーを取り出した際に排出される。大気中の二酸化炭素濃度の上昇は地球温暖化の原因の一つだと言われているが、二酸化炭素は極めて安定した物質であるため、分解などして利用することが困難である。そのため、二酸化炭素を他の物質に変換し、再び資源化する技術が望まれている。 Carbon dioxide (hereafter sometimes abbreviated as CO2 ) is emitted when energy is extracted from fossil fuels and other sources. Rising carbon dioxide concentrations in the atmosphere are said to be one of the causes of global warming, but because carbon dioxide is an extremely stable substance, it is difficult to decompose and reuse. Therefore, there is a need for technology that can convert carbon dioxide into other substances and reuse them as resources.

近年、電気エネルギーを利用した二酸化炭素還元の研究が、広く行われている。二酸化炭素を還元する固体電解質形電解装置では、陰極(以降、カソードと記載する場合がある)に供給される電解質を含んだ水溶液に二酸化炭素を溶解させるとともに、陽極(以降、アノードと記載する場合がある)に水や電解質を含んだ水溶液を供給し、電気分解する形が一般的である。陰極と陽極との間にはイオンを交換するための電解質が設けられ、その部材としてはイオン交換膜が用いられることがある。このような固体電解質形電解装置として、特許文献1に開示されている二酸化炭素電解装置を挙げることができる。 In recent years, research into carbon dioxide reduction using electrical energy has been widely conducted. In solid electrolyte electrolysis devices that reduce carbon dioxide, carbon dioxide is generally dissolved in an aqueous solution containing an electrolyte supplied to the cathode (hereinafter sometimes referred to as the cathode), and an aqueous solution containing water and an electrolyte is supplied to the anode (hereinafter sometimes referred to as the anode) for electrolysis. An electrolyte for exchanging ions is provided between the cathode and anode, and an ion exchange membrane is sometimes used as a material for this. An example of such a solid electrolyte electrolysis device is the carbon dioxide electrolysis device disclosed in Patent Document 1.

特開2018-154901号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-154901

特許文献1に開示されている二酸化炭素電解装置では、陽極側電解質として水を供給し、電気分解することで水酸化物イオンを発生させるが、この電気分解に必要となる印加電圧が高くなり、電気分解にかかるエネルギーが大きくなるおそれがあった。 In the carbon dioxide electrolysis device disclosed in Patent Document 1, water is supplied as the anode electrolyte and electrolyzed to generate hydroxide ions, but the applied voltage required for this electrolysis is high, which could increase the amount of energy required for electrolysis.

また、ポリカーボネートの製造方法では、一般にベンゼンとプロピレンからフェノールを生成するクメン法が用いられている。クメン法では200℃において反応させる必要があるため、高温に対応した設備が必要となり、設備投資のコストが大きくなる。また、大量の二酸化炭素が発生するため好ましくない。また、一酸化炭素は、一般に石炭に少量の酸素を加え、蒸し焼きにして得られるが、大掛かりな設備や安全上の設備が必要となり設備投資コストが大きくなるおそれがあった。 In addition, polycarbonate production typically involves the cumene process, which produces phenol from benzene and propylene. The cumene process requires a reaction temperature of 200°C, which requires equipment capable of handling high temperatures, resulting in high capital investment costs. It is also undesirable because it generates large amounts of carbon dioxide. Carbon monoxide is generally obtained by adding a small amount of oxygen to coal and baking it, but this requires large-scale equipment and safety facilities, which can result in high capital investment costs.

ポリウレタンの製造方法では、一般にエチレンを酸化させ、エチレンオキシドを生成する方法が用いられている。この方法ではエチレンを240℃において酸化させる必要があるため、高温に対応した設備が必要となり、設備投資のコストが大きくなる。また、大量の二酸化炭素が発生するため好ましくない。さらに、一酸化炭素は、一般に石炭に少量の酸素を加え、蒸し焼きにして得られるが、大掛かりな設備や安全上の設備が必要となり設備投資コストが大きくなるおそれがあった。 Polyurethane manufacturing methods generally involve oxidizing ethylene to produce ethylene oxide. This method requires ethylene to be oxidized at 240°C, which requires equipment capable of handling high temperatures and increases capital investment costs. It is also undesirable because it generates large amounts of carbon dioxide. Furthermore, carbon monoxide is generally obtained by adding a small amount of oxygen to coal and baking it, but this requires large-scale equipment and safety facilities, which can increase capital investment costs.

そこで、本開示は、陽極における電気分解に必要な印加電圧を低減することで、電気分解にかかるエネルギーを低減させることが可能な固体電解質形電解装置に関する技術を提供することを目的とする。また、本開示技術の固体電解質形電解装置を用い、COとベンゼンを元に、有機電解合成によりフェノールと一酸化炭素を同時に生成することで、COの再利用が可能であるとともに、設備の効率化(簡略化)が可能となり、製造コスト及び設備投資コストを低減できるポリカーボネートの製造方法を提供することを目的とする。さらに、本開示技術の固体電解質形電解装置を用い、COとオレフィンを元に、有機電解合成によりオレフィンオキシドと一酸化炭素を同時に生成することで、COの再利用が可能であるとともに、設備の効率化(簡略化)が可能となり、製造コスト及び設備投資コストを低減できるポリウレタンの製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present disclosure is to provide a technology related to a solid electrolyte electrolysis device that can reduce the energy required for electrolysis by reducing the applied voltage required for electrolysis at the anode. Another object is to provide a method for producing polycarbonate using a solid electrolyte electrolysis device of the present disclosure to simultaneously produce phenol and carbon monoxide from CO2 and benzene through organic electrolysis, thereby enabling CO2 reuse and equipment efficiency (simplification), and reducing production costs and capital investment costs. Another object is to provide a method for producing polyurethane using a solid electrolyte electrolysis device of the present disclosure to simultaneously produce olefin oxide and carbon monoxide from CO2 and olefin through organic electrolysis, thereby enabling CO2 reuse and equipment efficiency (simplification), and reducing production costs and capital investment costs.

本発明者らは、前記目的の実現に向け鋭意検討した結果、アノードにおいて電気分解に供される処理体として、ベンゼン又はオレフィンを含むことで、これらの処理体を電気分解するために必要な印加電圧が、水の場合と比べて低減できることを見出し、本開示技術を完成するに至った。 As a result of extensive research into achieving the above-mentioned objective, the inventors discovered that by including benzene or an olefin as the treated substance subjected to electrolysis at the anode, the applied voltage required to electrolyze these treated substances can be reduced compared to the case of using water, leading to the completion of the disclosed technology.

また、同時に、前記処理体としてベンゼンが含まれる場合には、アノードにおける電気分解によりフェノールが得られ、同様にカソードにおける電気分解により一酸化炭素(以降、COと略す場合がある)が得られる。このようにして得られたフェノールと一酸化炭素をポリカーボネートの製造の原料として用いることができる。さらに、前記処理体としてオレフィンが含まれる場合には、アノードにおける電気分解によりオレフィンオキシドが得られ、またカソードにおける電気分解により一酸化炭素が得られる。これらオレフィンオキシドと一酸化炭素をポリウレタンの製造の原料として用いることができる。このように、アノードに用いる処理体としてベンゼン又はオレフィンを含むことで二酸化炭素の再利用生成物までの一気通貫したプロセスの構築が可能となることが分かった。即ち、従来のポリカーボネートやポリウレタンの製造工程に比べ、効率的(簡略化可能)な製造工程の構成が可能であり、設備投資コストの低減が可能となることが明らかとなった。 Furthermore, when the treated body contains benzene, phenol is obtained by electrolysis at the anode, and carbon monoxide (hereinafter sometimes abbreviated as CO) is obtained by electrolysis at the cathode. The phenol and carbon monoxide obtained in this manner can be used as raw materials for producing polycarbonate. Furthermore, when the treated body contains an olefin, olefin oxide is obtained by electrolysis at the anode, and carbon monoxide is obtained by electrolysis at the cathode. These olefin oxides and carbon monoxide can be used as raw materials for producing polyurethane. In this way, it has been found that including benzene or an olefin as the treated body used in the anode makes it possible to create a seamless process leading to the production of recycled carbon dioxide products. In other words, it has been found that a more efficient (and therefore more simplified) production process can be configured than conventional polycarbonate and polyurethane production processes, enabling reduced capital investment costs.

さらに、固体電解質形電解装置の処理体を塩水とすることで、アノードにおける電気分解により塩素と、カソードにおける電気分解により一酸化炭素を生成することが可能であり、この塩素と一酸化炭素を、ポリカーボネート及びポリウレタン生成工程における途中物質であるホスゲンを生成するための原料とすることも可能である。このため、さらに二酸化炭素の再利用が進み、かつ、塩素の製造工程も効率化(簡略化)できるため、さらに設備投資コストの低減が可能となることが明らかとなった。即ち、本開示技術は、以下のとおりである。 Furthermore, by using saltwater as the treatment body in the solid electrolyte electrolysis device, it is possible to produce chlorine through electrolysis at the anode and carbon monoxide through electrolysis at the cathode. These chlorine and carbon monoxide can also be used as raw materials for producing phosgene, an intermediate product in the polycarbonate and polyurethane production process. This further promotes the reuse of carbon dioxide and makes the chlorine production process more efficient (simplified), further reducing capital investment costs. In other words, the disclosed technology is as follows:

本開示の一態様によれば、
還元反応を行うカソードと、
前記カソードと1対の電極を構成するアノードと、
前記アノードで電気分解される処理体を保持する電解槽と、
前記カソードと前記アノードとの間に接触状態にて介在する固体電解質と、
前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加する電圧印加部と、を有し、
前記処理体が、ベンゼン又はオレフィンを含むことを特徴とする、固体電解質形電解装置を提供することができる。
According to one aspect of the present disclosure,
a cathode where a reduction reaction takes place;
an anode that forms a pair of electrodes with the cathode;
an electrolytic cell for holding a treatment body to be electrolyzed by the anode;
a solid electrolyte interposed between the cathode and the anode in contact therewith;
a voltage application unit that applies a voltage between the cathode and the anode,
It is possible to provide a solid electrolyte electrolysis device, characterized in that the treated body contains benzene or an olefin.

本開示によれば、陽極における電気分解に必要な印加電圧を低減することで、電気分解にかかるエネルギーを低減させる固体電解質形電解装置に関する技術を提供することが可能となる。 This disclosure makes it possible to provide technology related to solid electrolyte electrolysis devices that reduce the energy required for electrolysis by reducing the applied voltage required for electrolysis at the anode.

本開示における固体電解質形電解装置の例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a solid electrolyte electrolysis device according to the present disclosure. 本開示における実施形態で好適に用いられる固体電解質形電解装置において、カソード表面に固体塩基を添加することで、局所的に効率よくCOを吸着できる様子を示した概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating how CO 2 can be locally and efficiently adsorbed by adding a solid base to the cathode surface in a solid electrolyte electrolysis device preferably used in an embodiment of the present disclosure. 本開示におけるポリカーボネートの製造方法を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing a method for producing polycarbonate in the present disclosure. 本開示におけるポリカーボネートの製造方法を用いた設備の一例を示すフロー図である。FIG. 1 is a flow diagram showing an example of equipment using the polycarbonate production method according to the present disclosure. 本開示におけるポリウレタンの製造方法を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing a method for producing polyurethane in the present disclosure. 本開示におけるポリウレタンの製造方法を用いた設備の一例を示すフロー図である。FIG. 1 is a flow diagram showing an example of equipment used in the production of polyurethane according to the present disclosure. 実施例4におけるサイクリックボルタモグラムの一部を拡大した図である。FIG. 10 is an enlarged view of a portion of a cyclic voltammogram in Example 4. アノードにおける酸化反応(電気分解)前後の処理体(実施例4)、フェノールの標準水溶液、イオン交換水をそれぞれのFID-GCで分析した結果を示す図である。FIG. 1 shows the results of FID-GC analysis of the treated body (Example 4), a standard aqueous solution of phenol, and ion-exchanged water before and after the oxidation reaction (electrolysis) at the anode.

以下、本開示における固体電解質形電解装置及びそれを用いたポリカーボネート及びポリウレタンの製造方法について、具体的に説明する。なお、本開示にかかる開示は、以下で説明する該形態に限定されるものではない。また、本開示において、数値の記載に関する「~」という用語は、その下限値以上、上限値以下を示す用語である。 The solid electrolyte electrolysis device and the method for producing polycarbonate and polyurethane using the same according to the present disclosure are described in detail below. However, the present disclosure is not limited to the embodiments described below. Furthermore, in this disclosure, the term "to" used when describing numerical values indicates a value greater than or equal to the lower limit and less than or equal to the upper limit.

≪固体電解質形電解装置100≫
まず、図1を参照しながら、本実施形態にかかる固体電解質形電解装置(電解セル、電解モジュールとも称される)を説明する。図1に示すように、本実施形態にかかる固体電解質形電解装置100は、カソード(陰極)101と、前記カソード101と1対の電極を構成するアノード(陽極)102と、前記カソード101と前記アノード102との間に少なくとも一部が接触している接触状態にて着設する固体電解質103と、前記カソード101の前記固体電解質103との接触面101-1とは反対側の面101-2で接触している集電板104と、前記アノード102の前記固体電解質103との接触面102-2とは反対側の面102-1で接触している支持板105と、前記集電板104と前記支持板105との間(即ち、前記カソードと前記アノードとの間)に電圧を印加する電圧印加部106と、を有している。また、支持板105のアノード102と反対側の面にはアノードにおける電気分解の処理体を蓄える電解槽108(以降、電解槽108と略す場合がある)を有している。図示しない供給源及び供給装置によって、気相状態でのCOを供給することとしている。なお、図1に記載した固体電解質形電解装置100は、説明のためにカソード101やアノード102などの各部品を離した状態で図示しているが、実際には、集電板104、カソード101、固体電解質103、アノード102、支持板105のそれぞれは所定の方法によって接着され、一体化して構成されている。各部品が、着脱可能に構成されて1つの固体電解質形電解装置100を構成していてもよい。以下、各構成要素を詳述する。
≪Solid electrolyte electrolysis device 100≫
First, a solid electrolyte electrolysis device (also referred to as an electrolytic cell or an electrolytic module) according to this embodiment will be described with reference to Figure 1. As shown in Figure 1, the solid electrolyte electrolysis device 100 according to this embodiment includes a cathode (negative electrode) 101, an anode (positive electrode) 102 that forms a pair of electrodes with the cathode 101, a solid electrolyte 103 that is disposed between the cathode 101 and the anode 102 in a contact state with at least a portion of the cathode 101 and the anode 102, a current collector 104 that is in contact with the cathode 101 at a surface 101-2 opposite to a contact surface 101-1 with the solid electrolyte 103, a support plate 105 that is in contact with the anode 102 at a surface 102-1 opposite to a contact surface 102-2 with the solid electrolyte 103, and a voltage application unit 106 that applies a voltage between the current collector 104 and the support plate 105 (i.e., between the cathode and the anode). Furthermore, an electrolytic cell 108 (hereinafter sometimes abbreviated as electrolytic cell 108) for storing the treated product of electrolysis at the anode is provided on the surface of the support plate 105 opposite the anode 102. CO2 in a gas phase state is supplied by a supply source and a supply device (not shown). For the sake of explanation, the solid electrolyte electrolysis device 100 shown in FIG. 1 is illustrated with the cathode 101, anode 102, and other components separated. In reality, however, the current collector plate 104, cathode 101, solid electrolyte 103, anode 102, and support plate 105 are each bonded by a predetermined method and integrated into one unit. Each component may be configured to be detachable to constitute a single solid electrolyte electrolysis device 100. Each component will be described in detail below.

<カソード101>
(カソード101での還元反応)
カソード101での還元反応は、固体電解質形電解装置100で用いる固体電解質103の種類によって変化する。固体電解質103として陽イオン交換膜を使用した場合には、下記式(1)と(2)の還元反応が起き、固体電解質として陰イオン交換膜を使用した場合には、下記式(3)と(4)の還元反応が起きる。
<Cathode 101>
(Reduction reaction at cathode 101)
The reduction reaction at the cathode 101 varies depending on the type of solid electrolyte 103 used in the solid electrolyte electrolysis device 100. When a cation exchange membrane is used as the solid electrolyte 103, the reduction reactions of the following formulas (1) and (2) occur, and when an anion exchange membrane is used as the solid electrolyte, the reduction reactions of the following formulas (3) and (4) occur.

(カソード101の基本構造・材質)
カソード101は、ガス拡散層を含むガス拡散電極である。ガス拡散層は、例えば、カーボン、金属などで作製された、紙、不織布又はメッシュなどの多孔性を有する材料を含む。カソード101の電極材料には、例えば、グラファイトカーボン、ガラス状カーボン、チタン、SUSを挙げることができる。また、カソード101が有する、CO(二酸化炭素)をCO(一酸化炭素)に還元可能なカソードの触媒は、例えば、銀、金、銅又はそれらの組合せから選択される金属を含む。触媒は、より詳細には、例えば、金、金合金、銀、銀合金、銅、銅合金、又は、それらのいずれか1種以上を含む混合金属を含む。触媒の種類は、触媒としての機能を有するものであれば特に限定されず、耐腐食性等を考慮して決定することができる。例えば、触媒が、Al、Sn、Zn等の両性金属を含まないことで、耐腐食性を向上させることができる。蒸着、析出、吸着、堆積、接着、溶接、物理混合、噴霧等の公知の方法を実施することで、カソード101(乃至は電極材料)に対して、触媒を担持させることができる。
(Basic structure and materials of cathode 101)
The cathode 101 is a gas diffusion electrode including a gas diffusion layer. The gas diffusion layer includes a porous material such as paper, nonwoven fabric, or mesh made of carbon or metal. Examples of electrode materials for the cathode 101 include graphite carbon, glassy carbon, titanium, and stainless steel. The cathode catalyst included in the cathode 101, capable of reducing CO 2 (carbon dioxide) to CO (carbon monoxide), includes a metal selected from silver, gold, copper, or a combination thereof. More specifically, the catalyst includes gold, gold alloy, silver, silver alloy, copper, copper alloy, or a mixed metal containing at least one of these. The type of catalyst is not particularly limited as long as it functions as a catalyst, and can be determined taking into account corrosion resistance and other factors. For example, the catalyst may not include amphoteric metals such as Al, Sn, or Zn, thereby improving corrosion resistance. The catalyst can be supported on the cathode 101 (or electrode material) by carrying out a known method such as vapor deposition, deposition, adsorption, accumulation, adhesion, welding, physical mixing, or spraying.

(固体塩基107)
ここで、図2に示すようにカソード101は、固体塩基107を有する。固体塩基107としては、常温(25℃)で固体である塩基であれば特に限定されず、例えば、炭酸水素カリウム(KHCO)、水酸化ナトリウム(NaOH)、アルカリ土類金属の酸化物、アルカリ土類金属の水酸化物又はアルカリ土類金属の炭酸物{例えば、酸化マグネシウム(MgO)、水酸化マグネシウム(Mg(OH))、炭酸マグネシウム(MgCO)、酸化カルシウム(CaO)、水酸化カルシウム(Ca(OH))、炭酸カルシウム(CaCO)、酸化ストロンチウム(SrO)、水酸化ストロンチウム(Sr(OH))、炭酸ストロンチウム(SrCO)、酸化バリウム(BaO)、水酸化バリウム(Ba(OH))、炭酸バリウム(BaCO)など}、希土類金属の酸化物、希土類金属の水酸化物又は希土類金属の炭酸塩{例えば、酸化イットリウム(Y)、酸化ランタン(La2)など}、ハイドロタルカイト(例えば、金属複合水酸、炭酸塩、LDH、HT-CO、HT-OHなど)、表面塩基処理したゼオライト、塩基処理したモレキュラーシーブ、表面塩基処理した多孔質アルミナ(KF-Al)などを用いることが好ましい。特に、原子番号の小さい弱塩基性の固体塩基がより好ましい。また、水不溶性の固体塩基であるアルカリ土類金属の酸化物、アルカリ土類金属の水酸化物又はアルカリ土類金属の炭酸物、希土類金属の酸化物、希土類金属の水酸化物又は希土類金属の炭酸塩を用いることがガス中の水や反応で発生する水により流されず、固体塩基107を有するカソードとしての耐久性が低下しないため、より好ましい。ここで、「水不溶性」とは、10mgが20℃の水100mLに溶解しないものをいう。なお、固体塩基107は、カソード101の、固体電解質103との接触面101-1側に存在することが好適である。このように構成する理由は、カソード101と固体電解質103との界面が反応サイトであるからである。また、固体塩基107は、カソード101の材料との混合物として存在しても良く、また、化合物として一体化された状態で存在してもよい。塗布、蒸着、析出、物理混合等の公知の方法を実施することで、カソード101(乃至は電極材料)に対して固体塩基107を担持させることができる。固体塩基の単位面積あたりの質量は、特に限定されないが、例えば、0.1~10mg/cm、好ましくは0.1~6mg/cmである。
(Solid Base 107)
Here, as shown in FIG. 2, the cathode 101 has a solid base 107 . The solid base 107 is not particularly limited as long as it is a base that is solid at room temperature (25° C.), and examples thereof include potassium bicarbonate (KHCO 3 ), sodium hydroxide (NaOH), an oxide of an alkaline earth metal, a hydroxide of an alkaline earth metal, or a carbonate of an alkaline earth metal {e.g., magnesium oxide (MgO), magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ), magnesium carbonate (MgCO 3 ), calcium oxide (CaO), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), calcium carbonate (CaCO 3 ), strontium oxide (SrO), strontium hydroxide (Sr(OH) 2 ), strontium carbonate (SrCO 3 ), barium oxide (BaO), barium hydroxide (Ba(OH) 2 ), barium carbonate (BaCO 3 ), etc.}, an oxide of a rare earth metal, a hydroxide of a rare earth metal, or a carbonate of a rare earth metal {e.g., yttrium oxide (Y 2 O 3 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), etc.}, hydrotalcite (e.g., metal complex hydroxide, carbonate, LDH, HT-CO 3 , HT-OH, etc.), surface-base-treated zeolite, base-treated molecular sieve, surface-base-treated porous alumina (KF-Al 2 O 3 ), etc. are preferably used. In particular, weakly basic solid bases with small atomic numbers are more preferred. Furthermore, water-insoluble solid bases such as alkaline earth metal oxides, alkaline earth metal hydroxides or alkaline earth metal carbonates, rare earth metal oxides, rare earth metal hydroxides or rare earth metal carbonates are more preferred because they are not washed away by water in the gas or water generated by the reaction, and therefore do not reduce the durability of the cathode having the solid base 107. Here, "water-insoluble" means that 10 mg of the base does not dissolve in 100 mL of water at 20°C. The solid base 107 is preferably present on the contact surface 101-1 of the cathode 101 with the solid electrolyte 103. The reason for this configuration is that the interface between the cathode 101 and the solid electrolyte 103 is a reaction site. The solid base 107 may be present as a mixture with the material of the cathode 101, or may be present in an integrated state as a compound. The solid base 107 can be supported on the cathode 101 (or electrode material) by carrying out a known method such as coating, vapor deposition, precipitation, or physical mixing. The mass of the solid base per unit area is not particularly limited, but is, for example, 0.1 to 10 mg/cm 2 , preferably 0.1 to 6 mg/cm 2 .

ここで、固体塩基107を用いると効率が上がる理由については、以下の作用機序が推定される。まず、例えば、工場における排出ガスといったような含有濃度が10~20%となる低濃度COガスを固体電解質形電解装置100に供給した場合、COが低濃度であるが故にカソード101表面に吸着されにくい。そこで、図1に示すように、カソード101表面に固体塩基107を添加することで、固体塩基が存在している箇所に対して局所的に効率よくCOを吸着でき、CO還元を進行させることができると理解される。また、固体電解質103として陽イオン交換膜を採用した場合、カソード101表面にHが多いと、COが十分に吸着できないと理解される。この際、固体塩基107が存在すると反応が進行すると考えられる(例えばイオン交換膜を用いる場合にはpH>2となるようにpHを制御することが好ましい)。他方、固体電解質として陰イオン交換膜を採用した場合、カソード表面にOHが存在しているため、COが吸着され、CO還元には適している。しかし、OHが多すぎると安定なCO 2-で吸着されてしまい、CO還元反応が十分に進まないと理解される。この際、弱塩基性の固体塩基107が存在すると、CO還元反応がより進行すると考えられる(例えばイオン交換膜を用いる場合にはpH<12となるようにpHを制御することが好ましい)。本開示において、このような固体塩基及び触媒を有する電極を、「触媒と、触媒を有する電極材料と、少なくとも電極材料に設けられた固体塩基と、を有する電極」(換言すれば、触媒及び固体塩基を有する電極材料、を有する電極)、又は、「触媒を有し、固体塩基をさらに有するカソード」等と表現することができる。 Here, the following mechanism of action is presumed to explain why the use of the solid base 107 improves efficiency. First, when low-concentration CO2 gas, such as factory exhaust gas, containing 10 to 20% CO2, is supplied to the solid electrolyte electrolysis device 100, the CO2 is difficult to adsorb on the surface of the cathode 101 due to its low concentration. Therefore, as shown in FIG. 1, by adding the solid base 107 to the surface of the cathode 101, CO2 can be efficiently adsorbed locally at the location where the solid base is present, and CO2 reduction can proceed. Furthermore, when a cation exchange membrane is used as the solid electrolyte 103, it is understood that if there is a large amount of H + on the surface of the cathode 101, CO2 cannot be sufficiently adsorbed. In this case, the presence of the solid base 107 is thought to promote the reaction (for example, when an ion exchange membrane is used, it is preferable to control the pH so that pH > 2). On the other hand, when an anion exchange membrane is used as the solid electrolyte, OH- is present on the cathode surface, which allows CO2 to be adsorbed, making it suitable for CO2 reduction. However, it is understood that if there is too much OH −, it will be adsorbed as stable CO 3 2− , and the CO 2 reduction reaction will not proceed sufficiently. In this case, it is thought that the presence of a weakly basic solid base 107 will allow the CO 2 reduction reaction to proceed more efficiently (for example, when an ion exchange membrane is used, it is preferable to control the pH so that the pH is less than 12). In the present disclosure, an electrode having such a solid base and catalyst can be expressed as "an electrode having a catalyst, an electrode material having the catalyst, and at least a solid base provided on the electrode material" (in other words, an electrode having an electrode material having a catalyst and a solid base), or "a cathode having a catalyst and further having a solid base," etc.

<アノード102>
(アノード102での酸化反応)
アノード102での酸化反応は、固体電解質形電解装置100で用いる固体電解質103の種類によって変化する。固体電解質103として陽イオン交換膜を使用した場合には、下記式(5)の酸化反応が起き、固体電解質103として陰イオン交換膜を使用した場合には、下記式(6)の酸化反応が起きる。
<Anode 102>
(Oxidation Reaction at the Anode 102)
The oxidation reaction at the anode 102 varies depending on the type of solid electrolyte 103 used in the solid electrolyte electrolysis device 100. When a cation exchange membrane is used as the solid electrolyte 103, the oxidation reaction of the following formula (5) occurs, and when an anion exchange membrane is used as the solid electrolyte 103, the oxidation reaction of the following formula (6) occurs.

また、後述する処理体がベンゼンである場合において、図3の酸化反応が起こり、フェノールが生成される。即ち、電気分解と有機合成が同時に起こる有機電解合成が可能である。また、同様に処理体にオレフィンを用いた場合においても、図5の酸化反応が起こり、オレフィンオキシドが生成される。 Furthermore, when the treated substance, as described below, is benzene, the oxidation reaction shown in Figure 3 occurs, producing phenol. In other words, organic electrolysis is possible, in which electrolysis and organic synthesis occur simultaneously. Similarly, when an olefin is used as the treated substance, the oxidation reaction shown in Figure 5 occurs, producing olefin oxide.

(アノード102の基本構造・材質)
アノード102は、ガス拡散層を含むガス拡散電極である。ガス拡散層は、例えば、カーボン紙若しくは不織布、又は金属メッシュ等、導電性や多孔性を有する材料を含む。カソード101の電極材料には、例えば、グラファイトカーボン、ガラス状カーボン、チタン、SUSを挙げることができる。アノード102の電極材料には、例えば、V、MnO、MoO、WO、ZrO、Cr、Ir、IrO、Ru、RuO、Rh、RhO、Co、CoOx、Cu、CuOx、Fe、FeOx、FeOOH、FeMn、Ni、NiOx、NiOOH、NiCo、NiCe、NiC、NiFe、NiCeCoCe、NiLa、NiMoFe、NiSn、NiZn、SUS、Au、Ptを挙げることができる。
(Basic structure and material of the anode 102)
The anode 102 is a gas diffusion electrode including a gas diffusion layer. The gas diffusion layer includes a conductive and porous material such as carbon paper, nonwoven fabric, or metal mesh. Examples of electrode materials for the cathode 101 include graphite carbon, glassy carbon, titanium, and SUS. Examples of electrode materials for the anode 102 include V2O5 , MnOx , MoO3 , WO3 , ZrO2 , Cr2O3 , Ir , IrO2 , Ru, RuO2 , Rh, RhOx , Co, CoOx, Cu, CuOx, Fe, FeOx , FeOOH, FeMn, Ni, NiOx, NiOOH, NiCo, NiCe, NiC, NiFe, NiCeCoCe, NiLa, NiMoFe, NiSn, NiZn, SUS, Au, and Pt.

<固体電解質103>
固体電解質103は、カソード101とアノード102との間にカソード101とアノード102のそれぞれに対して少なくとも部分的に接触した状態にて介在する。ここで、固体電解質103は、特に高分子膜に限定される訳ではないが、陽イオン交換膜又は陰イオン交換膜が好適であり、陰イオン交換膜がより好適である。陽イオン交換膜としては、例えば、フッ素樹脂母体にスルホン基を導入した強酸性陽イオン交換膜、Nafion(登録商標)117、Nafion115、Nafion212やNafion350(デュポン社製)、スチレン-ジビニルベンゼン共重合体母体にスルホン基を導入した強酸性陽イオン交換膜、又はネオセプタ CMX(徳山曹達社製)等を用いることができる。また、陰イオン交換膜としては、例えば、第四級アンモニウム基、第一級アミノ基、第ニ級アミノ基、第三級アミノ基、さらにこれらのイオン交換基が複数混在した陰イオン交換膜が挙げられる。具体例としては、例えば、ネオセプタ(登録商標)ASE、AHA、AMX、ACS、AFN、AFX(トクヤマ社製)、セレミオン(登録商標)AMV、AMT、DSV、AAV、ASV、AHO、AHT、APS4(旭硝子社製)等を用いることができる。
<Solid electrolyte 103>
The solid electrolyte 103 is interposed between the cathode 101 and the anode 102 in a state of at least partial contact with each of the cathode 101 and the anode 102. Here, the solid electrolyte 103 is not particularly limited to a polymer membrane, but is preferably a cation exchange membrane or an anion exchange membrane, and more preferably an anion exchange membrane. Examples of the cation exchange membrane include strongly acidic cation exchange membranes in which sulfonic groups are introduced into a fluororesin matrix, such as Nafion (registered trademark) 117, Nafion 115, Nafion 212, and Nafion 350 (manufactured by DuPont), and strongly acidic cation exchange membranes in which sulfonic groups are introduced into a styrene-divinylbenzene copolymer matrix, such as NeoSepta CMX (manufactured by Tokuyama Soda Co., Ltd.). Examples of the anion exchange membrane include anion exchange membranes containing quaternary ammonium groups, primary amino groups, secondary amino groups, tertiary amino groups, and mixtures of these ion exchange groups. Specific examples include Neocepta (registered trademark) ASE, AHA, AMX, ACS, AFN, AFX (manufactured by Tokuyama Corporation), Selemion (registered trademark) AMV, AMT, DSV, AAV, ASV, AHO, AHT, APS4 (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), etc.

<集電板104>
集電板104としては、例えば、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、ステンレス鋼(SUS)、ニッケルメッキ鋼、真鍮等の金属材料が挙げられ、なかでも加工し易さとコストの点から銅が好ましい。負極集電板の形状は、集電板104が金属材料の場合は、例えば、金属箔、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチングメタル、発泡メタル等が挙げられる。
<Current Collector Plate 104>
Examples of the current collector plate 104 include metal materials such as copper (Cu), nickel (Ni), stainless steel (SUS), nickel-plated steel, and brass, and among these, copper is preferred from the viewpoints of ease of processing and cost. When the negative electrode current collector plate 104 is made of a metal material, examples of the shape of the negative electrode current collector plate include metal foil, metal plate, metal thin film, expanded metal, punched metal, and foamed metal.

ここで、図1に示すように、集電板104には、カソード101にガス(原料ガスや生成ガス)を供給及び回収するためのガス供給孔104-1及びガス回収孔104-2が設けられている。当該ガス供給孔104-1及び当該ガス回収孔104-2により、カソード101に均一且つ効率よく原料ガスを送り込み生成ガス(生成ガスであるCOに限られず、未反応原料ガス、未反応のCOを含む)を排出することが可能となる。なお、当該図では、ガス供給孔及びガス回収孔がそれぞれ1個ずつ設けられているが、その数・場所・大きさは限定されず、適宜設定される。加えて、集電板104が通気性のあるものである場合には、ガス供給孔及びガス回収孔は必ずしも必要ない。 As shown in FIG. 1, the current collector plate 104 is provided with a gas supply hole 104-1 and a gas recovery hole 104-2 for supplying and recovering gas (raw material gas and generated gas) to the cathode 101. The gas supply hole 104-1 and the gas recovery hole 104-2 make it possible to uniformly and efficiently deliver raw material gas to the cathode 101 and discharge generated gas (not limited to CO, which is the generated gas, but also including unreacted raw material gas and unreacted CO2 ). While the figure shows one gas supply hole and one gas recovery hole, the number, location, and size of the holes are not limited and may be set as appropriate. Additionally, if the current collector plate 104 is breathable, the gas supply hole and the gas recovery hole are not necessarily required.

なお、カソード101が電子を伝達する役割を持っている場合には、集電板104は必ずしも必要ない。 Note that if the cathode 101 has the role of transferring electrons, the current collector plate 104 is not necessarily required.

<支持板105>
支持板105は、アノードを支持する役割を果たす。従って、アノードの厚み・剛性等により、求められる支持板105の剛性も変わる。また、当該支持板105は、アノードからの電子を受け取るべく、電気伝導性を有している必要がある。支持板105の材料としては、例えば、Ti、SUS、Niを挙げることができる。支持板を104のような流路付き集電板にしてもよい。
<Support plate 105>
The support plate 105 serves to support the anode. Therefore, the required rigidity of the support plate 105 varies depending on the thickness and rigidity of the anode. The support plate 105 must also have electrical conductivity so as to receive electrons from the anode. Examples of materials for the support plate 105 include Ti, SUS, and Ni. The support plate may also be a current collector plate with a flow path, such as 104.

ここで、図1に示すように、支持板105には、アノード102に原料ガスを送り込むためのガス流路105-1が設けられている。当該ガス流路により、アノード102に均一且つ効率よく原料ガスを送り込むことが可能となる。なお、当該図では、9個のガス流路が設けられているが、その数・場所・大きさは限定されず、適宜設定される。 As shown in Figure 1, the support plate 105 is provided with a gas flow path 105-1 for supplying raw material gas to the anode 102. This gas flow path enables raw material gas to be supplied uniformly and efficiently to the anode 102. Although nine gas flow paths are shown in the figure, the number, location, and size of these paths are not limited and can be set as appropriate.

なお、本形態では、アノード102と支持板105を別体のものとして説明したが、アノード102と支持板105とが一体構造であってもよい(即ち、支持機能を持った、一体型アノードとして構成してもよい)。 In this embodiment, the anode 102 and support plate 105 are described as separate entities, but the anode 102 and support plate 105 may also be integrally formed (i.e., they may be configured as an integrated anode with a support function).

<電解槽108>
電解槽108は、アノードにおける電気分解の処理体を蓄え、アノード102に送り込む原料ガスの供給源となる。ここで原料ガスとは、水、水素、又は、酸素である。電解槽108の材料としては、例えば、Ti、SUS、フッ素樹脂、ポリプロピレン樹脂を挙げることができる。
<Electrolytic cell 108>
The electrolytic cell 108 stores the product of electrolysis at the anode and serves as a source of raw material gas to be sent to the anode 102. Here, the raw material gas is water, hydrogen, or oxygen. Examples of materials for the electrolytic cell 108 include titanium, stainless steel, fluororesin, and polypropylene resin.

<処理体>
処理体は、アノード102において電気分解され原料ガスの供給源となる。処理体は、ベンゼン又はオレフィンを含み、オレフィンとしてはエチレン、プロピレンが好ましい。ベンゼン又はオレフィンを用いると、水を用いた場合などと比較して、電気分解に必要な印加電圧を低減することが可能である。また、ベンゼンを用いた場合には、ポリカーボネートの原料となるフェノールと一酸化炭素を同時に効率よく生成することができる。また、オレフィンを用いた場合には、ポリウレタンの原料となるオレフィンオキシドと一酸化炭素を同時に効率よく生成することができる。
<Processing body>
The treated body is electrolyzed at the anode 102 to provide a source of raw material gas. The treated body contains benzene or an olefin, with ethylene or propylene being preferred as the olefin. When benzene or an olefin is used, it is possible to reduce the applied voltage required for electrolysis compared to when water is used. Furthermore, when benzene is used, phenol and carbon monoxide, which are raw materials for polycarbonate, can be efficiently produced simultaneously. Furthermore, when an olefin is used, olefin oxide and carbon monoxide, which are raw materials for polyurethane, can be efficiently produced simultaneously.

処理体は、ベンゼン又はオレフィンが溶解したイオン液体とすることができる。本開示において、イオン液体とは、25℃で液状を呈する溶融塩(イオン性化合物)を意味し、カチオン成分とアニオン成分とからなる塩である。処理体として、ベンゼン又はオレフィンが溶解したイオン液体を用いた場合には、電気分解に必要な印加電圧をさらに低減することが可能である。
イオン液体としては、ベンゼン又はオレフィンが溶融可能であり、ベンゼン又はオレフィンと反応性がないものである限りにおいて特に限定されない。イオン液体としては酸化されにくいものが好ましく用いられる。ここで酸化されにくいイオン液体とは、酸化電位が1.23 V vs.NHEより貴側のものを意味する。
The treatment body can be an ionic liquid in which benzene or an olefin is dissolved. In the present disclosure, an ionic liquid refers to a molten salt (ionic compound) that is liquid at 25°C and is a salt composed of a cation component and an anion component. When an ionic liquid in which benzene or an olefin is dissolved is used as the treatment body, it is possible to further reduce the applied voltage required for electrolysis.
The ionic liquid is not particularly limited as long as it can dissolve benzene or an olefin and is not reactive with benzene or an olefin. An ionic liquid that is difficult to oxidize is preferably used. Here, the term "an ionic liquid that is difficult to oxidize" refers to an ionic liquid whose oxidation potential is more noble than 1.23 V vs. NHE.

イオン液体に含まれるカチオン成分としては、例えば、アルキルアンモニウム、アルキルホスホニウム、アルキルピリジニウム、アルキルイミダゾリウム等を挙げることができる。アニオン成分としては、例えば、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、パーフルオロアルキルスルホニルイミド、パーフルオロアルキルスルホニルメチド、環状パーフルオロアルキルスルホニルイミド、ヒドロフッ化物、ビストリフルオロメタンスルホニルイミドアニオン、ビスフルオロメタンスルホニルイミドアニオン等を挙げることができる。これらのうち、カチオン成分としてアルキルイミダゾリウムと、アニオン成分としてヘキサフルオロリン酸とを組み合わせたイオン液体が好ましく、2,3-ジメチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1-オクチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート等のアルキルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェートがより好ましい。 Examples of cationic components contained in ionic liquids include alkylammonium, alkylphosphonium, alkylpyridinium, and alkylimidazolium. Examples of anionic components include tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphate, trifluoromethanesulfonic acid, perfluoroalkylsulfonylimides, perfluoroalkylsulfonylmethides, cyclic perfluoroalkylsulfonylimides, hydrofluorides, bistrifluoromethanesulfonylimide anions, and bisfluoromethanesulfonylimide anions. Among these, ionic liquids that combine an alkylimidazolium as the cationic component and hexafluorophosphate as the anionic component are preferred, and alkylimidazolium hexafluorophosphates such as 2,3-dimethylimidazolium hexafluorophosphate, 1-ethyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, and 1-octyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate are more preferred.

<電圧印加部106>
電圧印加部106は、図1に示すように、集電板104と支持板105に電圧を印加することを通じ、カソード101とアノード102との間に電圧を印加する役割を担う。ここで、前記のように、集電板104は導電体であるため、カソード101に電子を供給する一方、支持板105も導電体であるため、アノード102からの電子を受け取ることになる。なお、前記のように集電板104が必要無い場合においては、カソード101と支持板105との間に電圧は印加される。また、電圧印加部106には、適切な電圧を印加するために、図示しない制御部が電気的に接続されていてもよい。
<Voltage application unit 106>
1 , the voltage application unit 106 applies a voltage between the cathode 101 and the anode 102 by applying a voltage to the current collector 104 and the support plate 105. As described above, the current collector 104 is a conductor and therefore supplies electrons to the cathode 101, while the support plate 105 is also a conductor and therefore receives electrons from the anode 102. Note that in cases where the current collector 104 is not required as described above, a voltage is applied between the cathode 101 and the support plate 105. A control unit (not shown) may be electrically connected to the voltage application unit 106 in order to apply an appropriate voltage.

<反応ガス供給部>
本開示における固体電解質形電解装置100には、図示しない反応ガス供給部が、固体電解質形電解装置100の外側に備えられていてもよい。すなわち、面101-2に反応ガスであるCOが供給されればよく、図示しない配管などを介して反応ガス供給部からガス供給孔104-1に反応ガスが供給されてもよいし、集電板104の、カソード101との接触面104-Bとは反対側の面104-Aに反応ガスが吹付けられるように設けられていてもよい。また、この反応ガスは、工場から排出される工場排出ガスを用いることが、環境面から好適である。
<Reaction gas supply unit>
The solid electrolyte electrolysis device 100 of the present disclosure may be provided with a reactant gas supply unit (not shown) outside the solid electrolyte electrolysis device 100. That is, as long as CO2 as the reactant gas is supplied to the surface 101-2, the reactant gas may be supplied from the reactant gas supply unit to the gas supply hole 104-1 via a pipe (not shown) or the like, or the reactant gas may be sprayed onto the surface 104-A of the current collector plate 104 opposite to the contact surface 104-B with the cathode 101. From an environmental perspective, it is preferable to use factory exhaust gas emitted from a factory as this reactant gas.

<その他>
本開示における固体電解質形電解装置100には、その他の部品として、固体電解質形電解装置として必要な、電装部品、制御部品、バルブや配管、タンク、ポンプなどの配管部品などを含むことができる。
<Others>
The solid electrolyte electrolysis device 100 of the present disclosure may include other components necessary for a solid electrolyte electrolysis device, such as electrical components, control components, valves, pipes, tanks, pumps, and other piping components.

≪用途≫
上述したような本開示にかかる固体電解質形電解装置に対して、例えば工場より排出されたCOガスを原料として、電圧印加部106への太陽電池等の再生可能エネルギーを利用することで、所望の生成割合による少なくともCOとHを含有した合成ガスを生成することが可能となる。さらに処理体としてベンゼンを用いた場合には、ポリカーボネートの原料としてフェノールが、処理体としてオレフィンを用いた場合には、ポリウレタンの原料としてオレフィンオキシドを、それぞれ生成することが可能であり、COの再利用が可能となる。
≪Applications≫
For the solid electrolyte electrolysis device according to the present disclosure as described above, it is possible to generate a synthesis gas containing at least CO and H in a desired production ratio by using, for example, CO gas emitted from a factory as a raw material and utilizing renewable energy such as a solar cell for the voltage application unit 106. Furthermore, when benzene is used as the treatment body, it is possible to generate phenol as a raw material for polycarbonate, and when olefin is used as the treatment body, it is possible to generate olefin oxide as a raw material for polyurethane, thereby making it possible to reuse CO .

<ポリカーボネートの製造方法>
本開示技術における処理体をベンゼンとして、図3に基づき、本開示の固体電解質形電解装置を用いたポリカーボネートの製造方法について説明する。
本開示の開示ポリカーボネートの製造方法は、本開示の固体電解質形電解装置を用いて生成したフェノールと一酸化炭素を原料として、フェノールをアセトンと反応させてビスフェノールAを生成するビスフェノールA生成工程(PC2-1)と、一酸化炭素を塩素と反応させてホスゲンを生成するホスゲン生成工程(PC2-2)と、ビスフェノールAと、ホスゲンと、を反応させてポリカーボネートを生成するポリカーボネート生成工程(PC2-3)と、を含むことを特徴とする。ここで、ビスフェノールA生成工程(PC2-1)、ホスゲン生成工程(PC2-2)、ポリカーボネート生成工程(PC2-3)における各化合物の生成方法は、公知の生成方法を用いることができ、特に限定されない。本開示のポリカーボネートの製造方法を用いれば、COとベンゼンを元に、有機電解合成によりフェノールと一酸化炭素を同時に生成できるため、COの再利用が可能であるとともに、設備の効率化(簡略化)が可能となり、製造コスト及び設備投資コストを低減できる。図4には、本開示のポリカーボネートの製造方法を用いた場合の設備の例とフロー図を示した。
<Method for producing polycarbonate>
A method for producing polycarbonate using the solid electrolyte electrolysis device of the present disclosure will be described with reference to FIG. 3, assuming that the treated body in the present disclosure is benzene.
The polycarbonate production method of the present disclosure is characterized by including a bisphenol A production step (PC2-1) in which phenol and carbon monoxide produced using the solid electrolyte electrolysis device of the present disclosure are reacted with acetone to produce bisphenol A, a phosgene production step (PC2-2) in which carbon monoxide is reacted with chlorine to produce phosgene, and a polycarbonate production step (PC2-3) in which bisphenol A and phosgene are reacted to produce polycarbonate. Here, the production methods for each compound in the bisphenol A production step (PC2-1), the phosgene production step (PC2-2), and the polycarbonate production step (PC2-3) can be known production methods and are not particularly limited. The polycarbonate production method of the present disclosure allows phenol and carbon monoxide to be simultaneously produced by organic electrolysis using CO2 and benzene, making it possible to reuse CO2 and improve the efficiency (simplification) of equipment, thereby reducing production costs and capital investment costs. FIG. 4 shows an example of equipment and a flow diagram when the polycarbonate production method of the present disclosure is used.

また、ホスゲン生成工程(PC2-2)の原料となる塩素は、上述した本開示にかかる固体電解質形電解装置の処理体の代わりに塩水を用いた第2の固体電解質形電解装置によって電気分解することで、得ることが可能となる。この点で、さらにCOの再利用が可能となると同時に、設備の効率化(簡略化)が可能となり、さらに設備投資コストが低減できる。ここで、塩素は、第2の固体電解質形電解装置のアノードにおいて塩水の電気分解により生成される。第2の固体電解質形電解装置は、還元反応を行う第2のカソードと、前記第2のカソードと1対の電極を構成する第2のアノードと、前記第2のアノードにおける電気分解の処理体である塩水を保持する第2の電解槽と、前記第2のカソードと前記第2のアノードとの間に接触状態にて介在する第2の固体電解質と、前記第2のカソードと前記第2のアノードとの間に電圧を印加する第2の電圧印加部と、を有する。第2の固体電解質形電解装置は、処理体を塩水とする以外は、本開示にかかる固体電解質形電解装置と同様のものとすることができる。 Furthermore, chlorine, which is a raw material in the phosgene production step (PC2-2), can be obtained by electrolysis using a second solid electrolyte electrolysis device that uses brine instead of the treated body of the solid electrolyte electrolysis device according to the present disclosure. This allows for further reuse of CO2 , while also enabling improved equipment efficiency (simplification), and further reducing capital investment costs. Here, chlorine is produced by electrolysis of brine at the anode of the second solid electrolyte electrolysis device. The second solid electrolyte electrolysis device includes a second cathode that performs a reduction reaction, a second anode that forms a pair of electrodes with the second cathode, a second electrolytic cell that holds brine, which is the treated body of electrolysis at the second anode, a second solid electrolyte that is interposed in contact between the second cathode and the second anode, and a second voltage application unit that applies a voltage between the second cathode and the second anode. The second solid electrolyte electrolysis device can be similar to the solid electrolyte electrolysis device according to the present disclosure, except that the treated body is brine.

<ポリウレタンの製造方法>
本開示にかかる処理体をオレフィンとして、図5に基づき、本開示の固体電解質形電解装置を用いたポリウレタンの製造方法について説明する。
本開示のポリウレタンの製造方法は、本開示の固体電解質形電解装置を用いて生成した、オレフィンオキシドと一酸化炭素を原料として、オレフィンオキシドを水と反応させてオレフィングリコールを生成するオレフィングリコール生成工程(PU2-1)と、一酸化炭素を塩素と反応させてホスゲンを生成するホスゲン生成工程(PU2-2)と、ホスゲンと第一級アミンを反応させてイソシアネート化合物を生成するイソシアネート生成工程(PU2-3)と、オレフィングリコールとイソシアネート化合物とを反応させてポリウレタンカーボネートを生成するポリウレタン生成工程(PC2-4)と、を含むことを特徴とする。ここで、オレフィングリコール生成工程(PU2-1)、ホスゲン生成工程(PU2-2)、イソシアネート生成工程(PU2-3)、ポリウレタン生成工程(PC2-4)における各化合物の生成方法は、公知の生成方法を用いることができ、特に限定されない。本開示のポリウレタンの製造方法を用いれば、COとオレフィンを元に、有機電解合成によりオレフィンオキシドと一酸化炭素を同時に生成できるため、COの再利用が可能であるとともに、設備の効率化(簡略化)が可能となり、製造コスト及び設備投資コストを低減できる。図6には、本開示のポリウレタンの製造方法を用いた場合の設備の例とフロー図を示した。
<Method of producing polyurethane>
Using an olefin as the treated body according to the present disclosure, a method for producing polyurethane using a solid electrolyte electrolysis device according to the present disclosure will be described with reference to FIG. 5 .
The method for producing polyurethane according to the present disclosure is characterized by including an olefin glycol production step (PU2-1) in which olefin oxide and carbon monoxide produced using the solid electrolyte electrolysis device according to the present disclosure are reacted with water to produce olefin glycol, a phosgene production step (PU2-2) in which carbon monoxide is reacted with chlorine to produce phosgene, an isocyanate production step (PU2-3) in which phosgene is reacted with a primary amine to produce an isocyanate compound, and a polyurethane production step (PC2-4) in which the olefin glycol is reacted with the isocyanate compound to produce polyurethane carbonate. Here, the methods for producing each compound in the olefin glycol production step (PU2-1), phosgene production step (PU2-2), isocyanate production step (PU2-3), and polyurethane production step (PC2-4) can be known production methods and are not particularly limited. The polyurethane production method of the present disclosure allows for simultaneous production of olefin oxide and carbon monoxide by organic electrolysis from CO2 and olefin, making it possible to reuse CO2 and streamline (simplify) the equipment, thereby reducing production costs and capital investment costs. Figure 6 shows an example of equipment and a flow diagram for when the polyurethane production method of the present disclosure is used.

また、ホスゲン生成工程(PU2-2)の原料となる塩素は、上述した本開示にかかる固体電解質形電解装置の処理体の代わりに塩水を用いた、第2の固体電解質形電解装置によって電気分解することで、得ることが可能となる。この点で、さらにCOの再利用が可能となると同時に、設備の効率化(簡略化)が可能となり、さらに設備投資コストが低減できる。ここで、塩素は第2の固体電解質形電解装置のアノードにおいて塩水の電気分解により生成される。第2の固体電解質形電解装置は、還元反応を行う第2のカソードと、前記第2のカソードと1対の電極を構成する第2のアノードと、前記第2のアノードにおける電気分解の処理体である塩水を保持する第2の電解槽と、前記第2のカソードと前記第2のアノードとの間に接触状態にて介在する第2の固体電解質と、前記第2のカソードと前記第2のアノードとの間に電圧を印加する第2の電圧印加部と、を有する。第2の固体電解質形電解装置は、処理体を塩水とする以外は、本開示にかかる固体電解質形電解装置と同様のものとすることができる。 Furthermore, chlorine, which is a raw material in the phosgene production step (PU2-2), can be obtained by electrolysis using a second solid electrolyte electrolysis device that uses brine instead of the treatment body of the solid electrolyte electrolysis device according to the present disclosure. This allows for further reuse of CO2 , while also enabling improved equipment efficiency (simplification), and further reducing capital investment costs. Here, chlorine is produced by electrolysis of brine at the anode of the second solid electrolyte electrolysis device. The second solid electrolyte electrolysis device includes a second cathode that performs a reduction reaction, a second anode that forms a pair of electrodes with the second cathode, a second electrolytic cell that holds brine, which is the treatment body of electrolysis at the second anode, a second solid electrolyte that is interposed in contact between the second cathode and the second anode, and a second voltage application unit that applies a voltage between the second cathode and the second anode. The second solid electrolyte electrolysis device may be similar to the solid electrolyte electrolysis device according to the present disclosure, except that the body to be treated is salt water.

以下に、上述した本実施形態を用いた場合の実施例及び比較例を挙げて具体的に説明する。 The following provides a detailed explanation of the above-described embodiment using examples and comparative examples.

以下の部材を用いて、固体電解質形電解装置を組み立てた。カソードは導電性を有するカーボンブラックと、銀ナノ触媒を混合したものをカーボン紙に付着してカソードとして用いた。アノードは酸化イリジウムを担持したチタンメッシュを用いた。固体電解質としては、陽イオン交換膜を用い、各実施例及び比較例の処理体として、ベンゼン(実施例1)、エチレン(実施例2)、プロピレン(実施例3)、イオン交換水(比較例1)を用いた。 A solid electrolyte electrolysis device was assembled using the following components. The cathode was a mixture of conductive carbon black and silver nanocatalyst attached to carbon paper. The anode was a titanium mesh carrying iridium oxide. A cation exchange membrane was used as the solid electrolyte, and benzene (Example 1), ethylene (Example 2), propylene (Example 3), and ion-exchanged water (Comparative Example 1) were used as the treated bodies in each example and comparative example.

固体電解質形電解装置を稼働させ、カソードとアノード全体に3.5Vを印加し、CO還元反応を1時間継続させたのちアノードの印加電圧を測定した。結果を表1に示した。
また、ベンゼンを用いた場合のアノードにおいて電気分解されたあとの電解槽内の溶液をGC-MS分析装置で分析したところフェノールが生成していることが確認された。また、エチレン、プロピレンを用いた場合についても、同様にエチレンオキサイド、プロピオンオキサイドがそれぞれ確認された。また、いずれの実施例及び比較例においても、カソードからの排出気体をGC-MS分析装置で分析したところ一酸化炭素が生成していることが確認された。
The solid electrolyte electrolysis device was operated, and 3.5 V was applied across the cathode and anode. The CO2 reduction reaction was continued for 1 hour, and then the applied voltage to the anode was measured. The results are shown in Table 1.
Furthermore, when benzene was used, the solution in the electrolytic cell after electrolysis at the anode was analyzed with a GC-MS analyzer, and it was confirmed that phenol was produced. Similarly, when ethylene and propylene were used, ethylene oxide and propionate oxide were confirmed, respectively. Furthermore, in all Examples and Comparative Examples, when the gas discharged from the cathode was analyzed with a GC-MS analyzer, it was confirmed that carbon monoxide was produced.

処理体として、ベンゼンをベンゼンの濃度が4体積%となるように溶解させた1-オクチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェートを用い、各実施例と同様の電気分解を行った(実施例4)。図7は、実施例4におけるサイクリックボルタモグラムの一部を拡大した図を表しており、図中Aのピークは固体電解質形電解装置のアノードにおいて酸化反応が生じていることを示し、図中Bのピークは固体電解質形電解装置のカソードにおいて還元反応が生じていることを示している。また、図8に、アノードにおける酸化反応(電気分解)前後の処理体、フェノールの標準水溶液、イオン交換水をFID-GCで分析した結果を示した。酸化反応後の処理体には、フェノール標準水溶液のピークと同じ位置にピークが発生しており、処理体の酸化反応によってフェノールが生じていることが確認できた。 The treated body was 1-octyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, in which benzene was dissolved to a benzene concentration of 4% by volume, and electrolysis was performed in the same manner as in each example (Example 4). Figure 7 shows an enlarged portion of the cyclic voltammogram for Example 4, with peak A indicating an oxidation reaction occurring at the anode of the solid electrolyte electrolysis device and peak B indicating a reduction reaction occurring at the cathode of the solid electrolyte electrolysis device. Figure 8 also shows the results of FID-GC analysis of the treated body, a standard aqueous phenol solution, and ion-exchanged water before and after the oxidation reaction (electrolysis) at the anode. After the oxidation reaction, a peak appeared in the treated body at the same position as the peak of the standard aqueous phenol solution, confirming that phenol was produced by the oxidation reaction of the treated body.

100 固体電解質形電解装置
101 陰極(カソード)
101-1 陰極の固体電解質と接する面
101-2 陰極の集電板と接する面
102 陽極(アノード)
102-1 陽極の支持板と接する面
102-2 陽極の固体電解質と接する面
103 固体電解質
104 集電板
104-1 集電板のガス供給孔
104-2 集電板のガス回収孔
105 支持板
105-1 支持板のガス流路
106 電圧印加部
107 固体塩基
108 電解槽
100 Solid electrolyte electrolysis device 101 Cathode
101-1: Cathode surface in contact with the solid electrolyte; 101-2: Cathode surface in contact with the current collector; 102: Anode
102-1 Anode surface in contact with support plate 102-2 Anode surface in contact with solid electrolyte 103 Solid electrolyte 104 Current collector plate 104-1 Gas supply hole in current collector plate 104-2 Gas recovery hole in current collector plate 105 Support plate 105-1 Gas flow path in support plate 106 Voltage application unit 107 Solid base 108 Electrolytic cell

Claims (6)

還元反応を行うカソードと、
前記カソードに向けて気相状態の二酸化炭素を供給する供給手段と、
前記カソードと1対の電極を構成するアノードと、
前記アノードで電気分解される処理体を保持する電解槽と、
前記カソードと前記アノードとの間に接触状態にて介在する固体電解質と、
前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加する電圧印加部と、を有
前記処理体が、ベンゼン又はオレフィンを含む、固体電解質形電解装置。
a cathode where a reduction reaction takes place;
a supply means for supplying gaseous carbon dioxide toward the cathode;
an anode that forms a pair of electrodes with the cathode;
an electrolytic cell for holding a treatment body to be electrolyzed by the anode;
a solid electrolyte interposed between the cathode and the anode in contact therewith;
a voltage application unit that applies a voltage between the cathode and the anode,
The solid electrolyte electrolysis device , wherein the treatment body contains benzene or an olefin .
前記オレフィンが、エチレン又はプロピレンを含むことを特徴とする、請求項1に記載の固体電解質形電解装置。 The solid electrolyte electrolysis device according to claim 1, characterized in that the olefin includes ethylene or propylene. 請求項1に記載の固体電解質形電解装置を用いるポリカーボネートの製造方法であって、
前記処理体が、ベンゼンを含み、
前記アノードにおいて前記ベンゼンを電気分解して少なくともフェノールを生成し、前記カソードにおいて二酸化炭素から少なくとも一酸化炭素を生成し、前記フェノールをアセトンと反応させてビスフェノールAを生成するビスフェノールA生成工程と、
前記一酸化炭素を塩素と反応させてホスゲンを生成するホスゲン生成工程と、
前記ビスフェノールAと、前記ホスゲンと、を反応させてポリカーボネートを生成するポリカーボネート生成工程と、を含むことを特徴とする、ポリカーボネートの製造方法。
A method for producing polycarbonate using the solid electrolyte electrolysis device according to claim 1,
the treated body contains benzene,
a bisphenol A production step of electrolyzing the benzene at the anode to produce at least phenol, producing at least carbon monoxide from carbon dioxide at the cathode, and reacting the phenol with acetone to produce bisphenol A;
a phosgene production step in which the carbon monoxide is reacted with chlorine to produce phosgene;
a polycarbonate production step of reacting the bisphenol A with the phosgene to produce a polycarbonate.
前記塩素は、第2の固体電解質形電解装置において塩水の電気分解により生成され、
前記第2の固体電解質形電解装置は、
還元反応を行う第2のカソードと、
前記第2のカソードと1対の電極を構成する第2のアノードと、
前記第2のアノードにおける電気分解の処理体である塩水を保持する電解槽と、
前記第2のカソードと前記第2のアノードとの間に接触状態にて介在する固体電解質と、
前記第2のカソードと前記第2のアノードとの間に電圧を印加する電圧印加部と、を有することを特徴とする、請求項3に記載のポリカーボネートの製造方法。
the chlorine is generated by electrolysis of brine in a second solid electrolyte electrolysis device;
The second solid electrolyte electrolysis device comprises:
a second cathode where a reduction reaction occurs;
a second anode forming a pair of electrodes together with the second cathode;
an electrolytic cell for holding brine, which is the treatment body of electrolysis at the second anode;
a solid electrolyte interposed between and in contact with the second cathode and the second anode;
4. The method for producing polycarbonate according to claim 3, further comprising: a voltage application unit that applies a voltage between the second cathode and the second anode.
請求項1に記載の固体電解質形電解装置を用いるポリウレタンの製造方法であって、
前記処理体が、オレフィンを含み、
前記アノードにおいて前記オレフィンを電気分解して少なくともオレフィンオキシドを生成し、前記カソードにおいて二酸化炭素から少なくとも一酸化炭素を生成し、前記オレフィンオキシドを水と反応させてオレフィングリコールを生成するオレフィングリコール生成工程と、
前記一酸化炭素を塩素と反応させてホスゲンを生成するホスゲン生成工程と、
前記ホスゲンを第一級アミンと反応させてイソシアネート化合物を生成するイソシアネート生成工程と、
前記オレフィングリコールと、前記イソシアネート化合物と、を反応させてポリウレタンを生成するポリウレタン生成工程と、を含むことを特徴とする、ポリウレタンの製造方法。
A method for producing polyurethane using the solid electrolyte electrolysis device according to claim 1,
the treated body comprises an olefin,
an olefin glycol production step of electrolyzing the olefin at the anode to produce at least an olefin oxide, producing at least carbon monoxide from carbon dioxide at the cathode, and reacting the olefin oxide with water to produce olefin glycol;
a phosgene production step in which the carbon monoxide is reacted with chlorine to produce phosgene;
an isocyanate-producing step of reacting the phosgene with a primary amine to produce an isocyanate compound;
a polyurethane production step of reacting the olefin glycol with the isocyanate compound to produce polyurethane.
前記塩素は、第2の固体電解質形電解装置において塩水の電気分解により生成され、
前記第2の固体電解質形電解装置は、
還元反応を行う第2のカソードと、
前記第2のカソードと1対の電極を構成する第2のアノードと、
前記第2のアノードにおける電気分解の処理体である塩水を保持する電解槽と、
前記第2のカソードと前記第2のアノードとの間に接触状態にて介在する第2の固体電解質と、
前記第2のカソードと前記第2のアノードとの間に電圧を印加する第2の電圧印加部と、を有することを特徴とする、請求項5に記載のポリウレタンの製造方法。
the chlorine is generated by electrolysis of brine in a second solid electrolyte electrolysis device;
The second solid electrolyte electrolysis device comprises:
a second cathode where a reduction reaction occurs;
a second anode forming a pair of electrodes together with the second cathode;
an electrolytic cell for holding brine, which is the treatment body of electrolysis at the second anode;
a second solid electrolyte interposed between and in contact with the second cathode and the second anode;
6. The method for producing polyurethane according to claim 5, further comprising: a second voltage application unit that applies a voltage between the second cathode and the second anode.
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