JPS6134516B2 - - Google Patents
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- JPS6134516B2 JPS6134516B2 JP57198806A JP19880682A JPS6134516B2 JP S6134516 B2 JPS6134516 B2 JP S6134516B2 JP 57198806 A JP57198806 A JP 57198806A JP 19880682 A JP19880682 A JP 19880682A JP S6134516 B2 JPS6134516 B2 JP S6134516B2
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- ruthenium
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- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Description
本発明はハロゲン化水素溶液の電解により高純
度ハロゲンを生成する方法、特に固体ポリマー電
解質膜および膜の少なくとも1表面に結合された
触媒陽極および陰極を用いる槽で塩酸を電解する
ことにより塩素を生成する方法に関する。
塩酸のようなハロゲン化水素水溶液の電解によ
るハロゲンの製造は、世界中で有機塩素処理およ
び他の工業的プロセスの副生物として多量の塩酸
が余つているので、大きな工業的関心を呼んでい
る。他方、塩酸それ自体の需要は、かゝる低級塩
酸の供給量とは歩調を合わせていない。かゝる余
つたHC副生物の廃棄は化学工業に厄介な環境
問題をつきつける。というのは、このような多量
の塩酸を環境汚染なしで廃棄しなければならない
からである。従つて、塩酸を水溶液中で直接電解
することは化学工業にとつて非常に有利である。
なぜなら、これにより大量の余つた塩酸を処理す
る方法が得られ、同時に大きな益々増大する工業
的需要のある塩素を生成できるからである。
従来塩素を塩酸から製造するには、隔膜を有す
る電解槽中で塩酸水溶液を電解している。代表的
には電解槽において、固体黒鉛電極を適当なガス
ケツトで分離し、電極間の空間を塩酸溶液で満た
すとともに有孔隔膜で分離する。電解中、陽極に
塩素が発生し、陰極に水素が発生する。しかし、
このような工業的に用いられる電解槽における作
動浴電圧は、陽極に塩素が、陰極に水素が発生す
る理論的電圧より著しく過剰である。工業的に用
いられるHC電解槽におけるこの過剰電圧は原
理的には、黒鉛陽極での塩素過電圧および黒鉛陰
極での水素過電圧、ならびに隔膜および電解液に
おけるIR降下にに基因する。電解槽運転コスト
は浴電圧に直接関係しているので、この過剰電圧
は当然プロセスの経済性に影響する。過電圧を妥
当な値に下げようとすると、小さい電流密度での
作動が必要とされ、これは設備コストに悪影響す
る。妥当な電流密度、即ち、300アンペア/平方
フイート(ASF)またはそれ以上で作動しなが
ら、浴電圧および運転コストを下げようとする
と、高温、即ち80℃(176〓)またはそれ以上で
の作動が必要とされる。このような高温作動は逆
に多数の付加的問題を惹起する。
さらに、これらのシステムでは有孔隔膜を用い
て陽極液室と陰極液室とを分離するので、陰極に
発生する気体状水素が隔膜を通過して陽極側に戻
る。その結果、生成塩素はかなりの量の水素を含
有し、所望の高グレード塩素を得るにはガス分離
装置が必要になる。陽極液の急速な涸渇という問
題もあり、その結果HC濃度が低下し、水電解
速度、従つて酸素発生が増加する。周知のように
酸素は黒鉛を侵食し、電極を急速に劣化するの
で、酸素の発生は非常に厄介なことである。
本発明はこれらの従来の欠点を解消せんとする
もので、その利点は以下の説明の進行につれて明
らかにしていく。
本発明によれば、陽イオン交換膜の形態の固体
ポリマー電解質により陰極液室と陽極液室とに分
離された槽内で、塩酸の電解を行うことにより塩
素のようなハロゲンを発生させる。膜の少なくと
も片面、好ましくは両面に触媒電極を結合して、
ハロゲンおよび水素過電圧が極めて低い触媒陽極
および陰極電極を構成する。HC水溶液を陽極
と連続的に接触させる。塩素が陽極で発生し、
H+イオンが陰極に移動され、そこで放出され
る。触媒電極はフツ化炭素(ポリテトラフルオロ
エチレン)と黒鉛粒子との結合塊の形態をとる。
黒鉛含有触媒電極はほかに、少くとも1種の白
金族元素の還元酸化物を酸素の存在下で加熱する
ことにより熱的に安定化された触媒材料を含む有
効な白金族元素の例に、白金、パラジウム、イリ
ジウム、ロジウム、ルテニウムおよびオスミウム
がある。
塩素の製造に好適な還元金属酸化物はルテニウ
ムまたはイリジウムの還元酸化物である。電解触
媒は単一の還元白金族元素酸化物、例えば酸化ル
テニウム、酸化イリジウム、酸化白金などとする
ことができる。しかし、還元白金族元素酸化物の
混合物または合金が一層安定であることを確かめ
た。25重量%までのイリジウムの還元酸化物、好
ましくは5〜25重量%の酸化イリジウムを含有す
る還元酸化ルテニウムの電極が極めて安定である
ことを確かめた。黒鉛は50重量%まで、好ましく
は10〜30重量%の量存在する。黒鉛は低いハロゲ
ン過電圧で優れた導電率を有し、白金族元素より
はるかに安価であるので、非常に安価でしかも極
めて有効なハロゲン発生電極が実現できる。
チタン、タンタル、ニオブ、ジルコン、ハフニ
ウム、バナジウムまたはタングステンのようなバ
ルブメタルの還元酸化物の1種または2種以上を
前記成分に加えて、電極を酸素、塩素および一般
に苛酷な電解条件に対して安定化することができ
る。バルブメタルは50重量%以下の量が有効であ
り、25〜50重量%の量が好適である。
本発明の特徴である新規な観点は特許請求の範
囲に記載した通りである。本発明の構成および実
施態様ならびに目的および効果を一層明確にする
ために、以下に本発明を図面と関連させて説明す
る。
第1図は本発明に適当な固体ポリマー電解質膜
を用いた電解槽を分解して示す斜視図である。1
0で総称される電解槽は、陰極室11、陽極室1
2、およびこれら両室を分離する固体ポリマー電
解質膜13を具え、膜13を水和陽イオン選択膜
とするのが好ましい。膜13の両表面には、触媒
フツ化炭素結合黒鉛電極が結合されている。触媒
フツ化炭素結合黒鉛電極は単独で、または熱安定
化された白金族元素の還元酸化物、例えばルテニ
ウム酸化物RuOx、またはイリジウム、ルテニウ
ム―イリジウム、ルテニウム―チタン、ルテニウ
ム―タンタルもしくはルテニウム―チタン―イリ
ジウムの安定化還元酸化物と混合されたものを用
いる。14で示される陰極は膜13の片側に結合
され、触媒陽極(図示せず)は膜の反対側に結合
される。
陰極は陽極触媒と同一とし得る触媒粒子のテフ
ロン結合塊、即ち黒鉛単体、または遷移バルブ金
属を添加したもしくは添加しない白金族元素の還
元酸化物の熱安定化粒子と黒鉛との混合物であ
る。或はまた、白金黒ならびにPt、Pt―Ir、Pt―
Ru、Pt―Ni、Pt―Pd、Pt―Auの熱安定化還元酸
化物の混合物および合金を用いることができる。
これは、HCの膜を経てのH+イオンを伴なう輸
送による陰極側の酸濃度が極めて低く、陽極液濃
度の10%以下であることに基づいている。
金属スクリーンまたは多孔質シートの形状の電
流コレクタ、即ち黒鉛15および16を電極に対
してプレスする。膜/電極アセンブリ全体をハウ
ジング部材11および12間にガスケツト17お
よび18、例えばアービング・ムーア社(Iruing
Mocre Company、米国マサチユーセツツ州所
在)から商標名EPDMにて販売されている充填剤
入りゴムのガスケツトでしつかり保持する。電解
液入口19は陽極室内部20と連通しており、該
入口から塩酸水溶液を導入する。消費された電解
液および塩素ガスを出口導管21から取出す。陰
極出口導管22は陰極室11と連通して、陰極で
生成した水素を、膜13を経てプロトン効果によ
り押出される水または塩酸と共に取出す。電力ケ
ーブル23を陰極室に挿入し、対応するケーブル
(図示せず)を陽極室に挿入する。ケーブルは電
流導通スクリーン15および16を電源に接続す
る。
第2図は膜の断面図で、HCの電解中に槽の
種々の部分で生じる反応を書き込んであり、電解
プロセスおよび槽の作用を理解するのに便利であ
る。塩酸水溶液を、陽イオン膜13により陰極室
から分離された陽極室中に導入する。イリジウム
またはチタンの還元酸化物により安定化された
Ruの還元酸化物を含有する結合黒鉛電極は、図
示のように膜13の表面中にプレスされている。
電流コレクタ15および16は触媒電極の表面に
プレスされており、それぞれ電源の正負端子に接
続され、これにより電極間に電解電圧を印加す
る。陽極室中に導入される塩酸を陽極24で電気
分解して気体状塩素および水素イオン(H+)を生
成する。このH+イオンは膜13を横切つて一部
の水および塩酸と共に陰極14に輸送される。水
素イオンは、膜の表面に結合され表面中に埋設さ
れた陰極電極で排出される。陰極14も、例えば
白金族元素およびバルブメタル4即ちRu、Ir、
Ti、Taなど)の熱安定化された還元酸化物を含
有するフツ化炭素結合黒鉛から構成することがで
きる。槽の種々の部分における反応は次の通り。
陽極反応 2C−→C2↑+2e-(1)
膜輸送 2H+(H2O,HC) (2)
陰極反応 2H++2e-→H2↑ (3)
全体の反応 2HC→H2+C2 (4)
この構造では、電極の触媒部位は陽イオン膜
と、従つてポリマー主鎖に結合されたイオン交換
酸基(SO3H×H2Oスルホン酸基またはCOOH×
H2Oカルボン酸基)と直接接触している。その結
果、陽極液または陰極液室内のIR降下(普通
「電解液電圧降下」と称される)がなくなり、こ
のことは本発明の主要利点の一つである。さら
に、塩素および水素はそれぞれちようど電極と膜
との界面で発生するので、ガス質量移動損失であ
る所謂「バブル効果」に基づく電圧降下もない。
即ち、従来のシステムでは、膜と膜から空間的に
離れた触媒電極との間でガス生成が生じる。この
ガス層またはガス膜は触媒電極および膜間のイオ
ン輸送を少くとも部分的に阻止し、さらに電圧降
下をもたらす。
電 極
ペルフルオロカーボン―ポリテトラフルオロエ
チレン(デユポン(Dupont)社の商標名
「Teflon」で知られている)結合黒鉛電極は、陽
極としての塩素過電圧を最小にするために、白金
族元素、例えばルテニウム、イリジウム、ルテニ
ウム―イリジウムなどの還元酸化物を含有する。
還元ルテニウム酸化物を安定化して得られる有効
な長寿命陽極は酸中で安定であり、塩素過電圧が
極めて低い。安定化を行うには、最初温度(熱
的)安定化を行う。即ち、還元ルテニウム酸化物
を、還元酸化物が純粋な金属に分解され始める温
度より低い温度で加熱する。従つて還元酸化物を
350〜750℃に30分〜6時間加熱するのが好まし
く、還元酸化物を550〜600℃の範囲の温度で1時
間加熱することによつて、熱安定化工程を好適に
達成することができる。還元ルテニウム酸化物を
含有するテフロン結合黒鉛電極は、ルテニウムを
他の白金族元素、例えばイリジウム(IrOx5〜25
%のイリジウムの範囲、25%が好適)、パラジウ
ム、ロジウムなどの熱安定化還元酸化物、または
還元チタン酸化物(TiOx、25〜50%のTiOxが好
適)または還元タンタル酸化物(25%以上)と合
金化または混合することによつて、さらに安定化
することができる。チタン、ルテニウムおよびイ
リジウム(またはタンタル)の還元酸化物
(Ru、Ir、Ti)Oxの三元合金が安定な長寿命陽極
を製造するのに非常に有効であることも確かめ
た。三元合金の場合、その組成は5重量%の還元
イリジウム酸化物および等割合(47.5重量%)の
ルテニウムおよび遷移金属チタンの還元酸化物が
好適である。ルテニウムおよびチタンの還元酸化
物の場合、好適な範囲は50重量%のルテニウムお
よび50重量%のチタンである。チタンには勿論、
ルテニウムおよびイリジウムいずれよりはるかに
安価であるという利点がある。電極構体において
TiまたはTaの代りにNb、ZrまたはHfのような他
の遷移金属を用いることも簡単に行える。
ルテニウムおよびイリジウムの還元貴金属酸化
物の合金をチタンの還元酸化物と共にテフロンと
混合して均質混合物をつくる。これをさらに黒鉛
―テフロン混合物と配合して貴金属活性化黒鉛構
体を形成する。陽極の場合の代表的な貴金属含量
は電極表面1cm2当り0.6mgで、好適範囲は1〜2
mg/cm2である。
陰極も同様に、テフロン結合黒鉛とルテニウ
ム、イリジウムおよびチタンの還元酸化物の合金
または混合物とのまたはルテニウム自身との混合
物とすることができる。或はまた、他の貴金属、
例えば白金、Pt―IrまたはPt―Ruの還元酸化物
を使用することもできる。その理由は、陰極は白
金を侵食し迅速に溶解する陽極の高い塩化水素酸
濃度にさらされないからである。陰極でのHC
濃度は通常陽極液より10倍以上希薄である。陽極
と同じく陰極電極は陽イオン膜の表面に結合され
表面中に埋設される。還元ルテニウム酸化物は水
素発生のための過電圧を下げ、イリジウムおよび
チタンはルテニウムを安定化する。
結合陽極層に係合する陽極電流コレクタは触媒
陽極より高い塩素過電圧を有する。このことによ
り、電流コレクタ表面で塩素発生のような電気化
学的反応が起る可能性が少なくなる。好適な材料
はTa,Nbスクリーンまたは多孔質黒鉛シートで
ある。結合電極表面は塩素過電圧が低くコレクタ
表面への電圧降下が大きいので、塩素発生反応は
給合電極表面での方がはるかに起りやすい。
同様に、陰極電流コレクタは陰極より高い水素
過電圧を有する材料から製造する。その結果、過
電圧が低くかつ電流コレクタがある程度電極を遮
蔽またはシールドするので、電流コレクタで水素
発生が起る可能性は少なくなる。浴電圧を塩素お
よび水素が電極で発生する最低限のレベルに維持
することにより、電流コレクタのガス発生過電圧
の方が高いので、電流コレクタではガス発生が起
らない。
膜
膜13はイオン輸送選択性により特徴付けられ
る安定な水和陽イオンフイルムとするのが好まし
い。陽イオン交換膜は正に荷電された陽イオンの
通過を許すが、負に荷電された陰イオンの通過を
最小限に抑制する。各種のイオン交換樹脂を、陽
イオンの選択的輸送をなす膜に形成することがで
きる。そのうち2つの種類は、所謂スルホン酸陽
イオン交換樹脂とカルボン酸陽イオン交換樹脂で
ある。スルホン酸陽イオン交換樹脂が好適であ
り、そのイオン交換基は水和スルホン酸基SO3H
×H2Oであり、これがスルホン化によりポリマー
主鎖に結合している。イオン交換酸基は膜内で移
動性でなく、ポリマーの主鎖に固定的に結合して
おり、電解質濃度が変らないようにしている。
前述したように、ペルフルオロカーボンスルホ
ン酸陽イオン膜が好適である理由は、この膜が優
秀な陽イオン輸送を行い、極めて安定であり、酸
および強いオキシダントにより影響されず、優秀
な熱安定性を有し、時間経過にほゞ不変であるか
らである。好適な特定陽イオンポリマー膜はデユ
ポン社から商標名「Nafion」にて販売されてお
り、ポリマーがポリテトラフルオロエチレン
(PTFE)と末端スルホン酸基を含有するポリス
ルホニルフルオライドビニルエーテルとの水和コ
ポリマーである膜である。これらの膜は製造元か
ら得られる通常の形態である水素形態で使用され
る。特定のスルホン酸陽イオン交換膜のイオン交
換容量(IEC)は、乾燥ポリマー1g当りのSO2基
のミリ当量(MEW)に依存する。スルホン酸基
の濃度が大きければ大きい程、イオン交換容量、
従つて水和膜の陽イオンを輸送する能力は大きく
なる。しかし、膜のイオン交換容量が増すにつれ
て、水含量も増し、膜の塩をはねつける能力が低
下する。塩酸の電解の場合、好適なイオン交換膜
はデユポン社から商標名「Nafion 120」で販売さ
れているものである。
イオン交換膜は、これを沸とう水中で1時間水
和して膜の水含量および輸送特性を固定したもの
を用いる。
電極製造
テフロン結合黒鉛と組合せる、白金族元素、例
えばルテニウム、イリジウムおよび遷移金属、例
えばチタン、タンタルなどの還元酸化物を製造す
るには、混合金属塩を直接、または過剰なナトリ
ウム塩、例えば硝酸塩、炭酸塩などの存在下で熱
的に分解する。実際の製造方法は、アダムスの白
金触媒製造法を、イリジウム、チタン、タンタル
またはルテニウムの熱分解性ハロゲン化物、即ち
塩化イリジウム、塩化タンタル、塩化ルテニウム
または塩化チタンのような塩を添加することによ
り変えたものである。一例として(Ru,Ir,
Ti)Ox三元合金の場合を挙げると、ルテニウ
ム、イリジウムおよびチタンのハロゲン化塩の微
粉砕物を、合金に望まれるのと同じルテニウム、
イリジウムおよびチタンの重量割合にて混合す
る。過剰量のナトリウムを加え、混合物をシリカ
皿中で500〜550℃で3時間融解する。残留物を完
全に洗つてまだ残つている硝酸塩およびハロゲン
化物を除去する。かくして得られる混合酸化物の
懸濁液を、電気化学的還元技術を用いるかまたは
水素を混合物中にバブリングすることにより、常
温で還元する。生成物を完全に乾燥し、粉砕し、
網ナイロン篩で篩分する。テフロンと配合する前
に触媒の薄層を550〜600℃に1時間加熱すること
により、還元酸化物を熱的に安定化する。ルテニ
ウム、イリジウムおよびチタンの熱安定化還元酸
化物の合金をテフロンと組合せ、次いで黒鉛―テ
フロン混合物と混ぜ合わせる。二元合金還元酸化
物のみを製造する必要があるときには、貴金属ハ
ロゲン化物の適当な組合せを最終合金に望まれる
重量比にて混合し、その後上述した通りの手順で
処理すればよいことが明らかである。
電極を製造するには、まず最初粉末状黒鉛をポ
リテトラフルオロエチレン粒子と混合する。市販
形態の黒鉛の一例に、ユニオン・オイル社
(Union Oil Company)製の「Pocographite
1748」(商標名)がある。ポリテトラフルオロエ
チレン粒子はデユポン社から商標名「Teflon T
―30」として入手できる。テフロンの量は15〜35
重量%の範囲とすることができる。好適量は20重
量%である。
還元酸化物を黒鉛―テフロン混合物と配合す
る。黒鉛、テフロンおよび還元酸化物の混合物を
鋳型内に入れて加熱し、組成物を所望の型模写形
状に焼結し、次にこれを圧力および熱を加えるこ
とにより膜の表面に結合するとともに表面中に埋
設する。種々の方法が使用でき、その一例が本出
願人に譲渡されたL.W.ニードラツチ
(Niedrach)の米国特許第3134697号(1964年5
月26日)「燃料電池」に詳細に記載されている。
この特許明細書に記載された方法では、電極構体
を部分的に重合したイオン交換膜の表面に押圧
し、これによりガス吸収性疎水粒子混合物を膜に
一体的に結合するとともに膜の表面中に埋設す
る。
作動条件
塩素発生の場合、塩酸水溶液を陽極液室中に導
入する。供給速度を1〜4/分―ft2の範囲と
するのが好ましい。このような供給速度および高
い酸濃度で、陽極における酸素の発生を最小に抑
えることができ、酸素濃度が0.02%以下となる。
供給液濃度および流量が共に低すぎると、触媒反
応位置に関してHCと競合する陽極に存在する
水の相対量が増加する。その結果、水が電解され
て陽極に酸素を生成する。酸素は黒鉛を侵食する
ので、酸素の発生を最小限に抑えるべきである。
塩酸濃度を7N(当量/)以上、好ましくは9
〜12Nの範囲とするのが好ましい。
電極組成およびHC濃度に依存して、1.8〜
2.2ボルトの作動電圧を400アンペア/平方フイー
トにて槽に印加し、槽および供給溶液を30℃、即
ち常温に維持する。電解槽を作動させる際の温度
を80℃(176〓)までまたはそれ以上まで増す
と、系の効率が増加し、塩素発生に必要な浴電圧
は減少する。9〜12N HCで作動する代表的な
水和SPE電解槽において温度が性能に与える効果
を第表に示す。(ASF=アンペア/平方フイー
ト)
The present invention relates to a method for producing high-purity halogens by electrolysis of hydrogen halide solutions, and in particular for producing chlorine by electrolyzing hydrochloric acid in a bath using a solid polymer electrolyte membrane and a catalytic anode and cathode bonded to at least one surface of the membrane. Regarding how to. The production of halogens by electrolysis of aqueous hydrogen halides, such as hydrochloric acid, is of great industrial interest because of the large amounts of hydrochloric acid left over as a by-product of organochlorination and other industrial processes throughout the world. On the other hand, the demand for hydrochloric acid itself has not kept pace with the supply of lower hydrochloric acids. Disposal of such surplus HC by-products poses a vexing environmental problem to the chemical industry. This is because such large quantities of hydrochloric acid must be disposed of without polluting the environment. Therefore, direct electrolysis of hydrochloric acid in an aqueous solution is very advantageous for the chemical industry.
This is because it provides a way to dispose of large amounts of surplus hydrochloric acid and at the same time produce chlorine, which is in great and increasing industrial demand. Conventionally, in order to produce chlorine from hydrochloric acid, an aqueous solution of hydrochloric acid is electrolyzed in an electrolytic cell having a diaphragm. Typically, in an electrolytic cell, solid graphite electrodes are separated by a suitable gasket, and the space between the electrodes is filled with a hydrochloric acid solution and separated by a perforated diaphragm. During electrolysis, chlorine is generated at the anode and hydrogen is generated at the cathode. but,
The working bath voltage in such industrially used electrolytic cells is significantly in excess of the theoretical voltage at which chlorine is generated at the anode and hydrogen is generated at the cathode. This excess voltage in industrially used HC electrolysers is in principle due to the chlorine overpotential at the graphite anode and the hydrogen overpotential at the graphite cathode, as well as the IR drop in the diaphragm and electrolyte. Since electrolyser operating costs are directly related to bath voltage, this excess voltage naturally affects the economics of the process. Reducing the overvoltage to reasonable values requires operation at low current densities, which has a negative impact on equipment costs. To reduce bath voltage and operating costs while operating at reasonable current densities, i.e., 300 amperes per square foot (ASF) or higher, operation at elevated temperatures, i.e., 80°C (176〓) or higher, is a challenge. Needed. Such high temperature operation, in turn, poses a number of additional problems. Furthermore, these systems use a perforated membrane to separate the anolyte and catholyte compartments, so that gaseous hydrogen generated at the cathode passes through the membrane and returns to the anode. As a result, the chlorine produced contains significant amounts of hydrogen, and gas separation equipment is required to obtain the desired high grade chlorine. There is also the problem of rapid depletion of the anolyte, resulting in a decrease in HC concentration and an increase in the rate of water electrolysis and therefore oxygen evolution. The evolution of oxygen is very troublesome because, as is well known, oxygen attacks graphite and rapidly deteriorates the electrode. The present invention seeks to overcome these conventional drawbacks, and its advantages will become clearer as the description proceeds. According to the present invention, a halogen such as chlorine is generated by electrolyzing hydrochloric acid in a tank separated into a catholyte compartment and an anolyte compartment by a solid polymer electrolyte in the form of a cation exchange membrane. bonding a catalytic electrode to at least one side, preferably both sides of the membrane;
The catalytic anode and cathode electrodes have extremely low halogen and hydrogen overvoltages. The HC aqueous solution is brought into continuous contact with the anode. Chlorine is generated at the anode,
H + ions are transferred to the cathode, where they are released. The catalytic electrode takes the form of a bonded mass of carbon fluoride (polytetrafluoroethylene) and graphite particles. Graphite-containing catalytic electrodes are other examples of useful platinum group element catalysts that include a catalytic material that has been thermally stabilized by heating a reduced oxide of at least one platinum group element in the presence of oxygen. These include platinum, palladium, iridium, rhodium, ruthenium and osmium. Suitable reduced metal oxides for the production of chlorine are reduced oxides of ruthenium or iridium. The electrocatalyst can be a single reduced platinum group element oxide, such as ruthenium oxide, iridium oxide, platinum oxide, and the like. However, mixtures or alloys of reduced platinum group element oxides have been found to be more stable. Electrodes of reduced ruthenium oxide containing up to 25% by weight of reduced oxide of iridium, preferably from 5 to 25% by weight of iridium oxide, have been found to be very stable. Graphite is present in an amount up to 50% by weight, preferably from 10 to 30%. Graphite has excellent conductivity with low halogen overpotentials and is much cheaper than platinum group elements, making it possible to create very inexpensive and highly effective halogen generating electrodes. One or more reduced oxides of valve metals such as titanium, tantalum, niobium, zircon, hafnium, vanadium or tungsten are added to the above components to make the electrodes resistant to oxygen, chlorine and generally harsh electrolytic conditions. It can be stabilized. Valve metal is effective in an amount of 50% by weight or less, preferably in an amount of 25 to 50% by weight. The novel aspects that characterize the invention are set forth in the claims. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order to further clarify the configuration, embodiments, objects and effects of the present invention, the present invention will be described below in conjunction with the drawings. FIG. 1 is an exploded perspective view showing an electrolytic cell using a solid polymer electrolyte membrane suitable for the present invention. 1
The electrolytic cells collectively referred to as 0 have a cathode chamber 11 and an anode chamber 1.
2, and a solid polymer electrolyte membrane 13 separating these two chambers, the membrane 13 preferably being a hydration cation selective membrane. Bonded to both surfaces of membrane 13 are catalytic carbon fluoride bonded graphite electrodes. Catalytic carbon fluoride-bonded graphite electrodes can be used alone or with thermally stabilized reduced oxides of platinum group elements, such as ruthenium oxide RuOx, or iridium, ruthenium-iridium, ruthenium-titanium, ruthenium-tantalum or ruthenium-titanium. A mixture with a stabilized reduced oxide of iridium is used. A cathode, designated 14, is attached to one side of the membrane 13, and a catalytic anode (not shown) is attached to the opposite side of the membrane. The cathode is a Teflon bonded mass of catalyst particles which may be identical to the anode catalyst, ie, graphite alone or a mixture of graphite and thermally stabilized particles of reduced oxides of platinum group elements with or without the addition of transition valve metals. Alternatively, platinum black and Pt, Pt―Ir, Pt―
Mixtures and alloys of thermally stabilized reduced oxides of Ru, Pt-Ni, Pt-Pd, Pt-Au can be used.
This is based on the fact that the acid concentration on the cathode side due to transport with H + ions through the HC membrane is extremely low, less than 10% of the anolyte concentration. Current collectors in the form of metal screens or porous sheets, namely graphite 15 and 16, are pressed against the electrodes. The entire membrane/electrode assembly is sealed between housing members 11 and 12 with gaskets 17 and 18, such as Irving Moore Co., Ltd.
A filled rubber gasket sold under the trade name EPDM by Mocre Company, Massachusetts, USA, provides a secure hold. The electrolyte inlet 19 communicates with the inside of the anode chamber 20, and an aqueous hydrochloric acid solution is introduced through the inlet. The spent electrolyte and chlorine gas are removed from outlet conduit 21. A cathode outlet conduit 22 communicates with the cathode chamber 11 to remove the hydrogen produced at the cathode together with water or hydrochloric acid which is forced through the membrane 13 by the proton effect. A power cable 23 is inserted into the cathode chamber and a corresponding cable (not shown) is inserted into the anode chamber. Cables connect the current conducting screens 15 and 16 to a power source. Figure 2 is a cross-sectional view of the membrane, plotting the reactions that occur in various parts of the cell during the electrolysis of HC, and is useful for understanding the electrolysis process and the operation of the cell. An aqueous hydrochloric acid solution is introduced into the anode chamber separated from the cathode chamber by a cation membrane 13. stabilized by reduced oxides of iridium or titanium
A bonded graphite electrode containing a reduced oxide of Ru is pressed into the surface of membrane 13 as shown.
Current collectors 15 and 16 are pressed onto the surface of the catalyst electrode and are connected to the positive and negative terminals of a power source, respectively, thereby applying an electrolytic voltage between the electrodes. Hydrochloric acid introduced into the anode chamber is electrolyzed at the anode 24 to generate gaseous chlorine and hydrogen ions (H + ). This H + ion is transported across membrane 13 to cathode 14 along with some water and hydrochloric acid. Hydrogen ions are bonded to the surface of the membrane and ejected at a cathode electrode embedded within the surface. The cathode 14 is also composed of, for example, platinum group elements and valve metals 4 such as Ru, Ir,
It can be composed of fluorocarbon-bonded graphite containing thermally stabilized reduced oxides of Ti, Ta, etc.). The reactions in the various parts of the tank are as follows. Anodic reaction 2C − →C 2 ↑+2e − (1) Membrane transport 2H + (H 2 O, HC) (2) Cathode reaction 2H + +2e − →H 2 ↑ (3) Overall reaction 2HC→H 2 +C 2 ( 4) In this structure, the catalytic site of the electrode is connected to the cationic membrane and thus to the ion-exchange acid groups (SO 3 H×H 2 O sulfonic acid groups or COOH×
in direct contact with H 2 O carboxylic acid groups). As a result, there is no IR drop in the anolyte or catholyte compartment (commonly referred to as "electrolyte voltage drop"), which is one of the major advantages of the present invention. Furthermore, since chlorine and hydrogen are generated at the interface between the electrode and the membrane, there is no voltage drop due to the so-called "bubble effect", which is gas mass transfer loss.
That is, in conventional systems, gas production occurs between the membrane and a catalytic electrode spatially separated from the membrane. This gas layer or film at least partially blocks ion transport between the catalytic electrode and the membrane and also results in a voltage drop. Electrodes Perfluorocarbon-polytetrafluoroethylene (known under the trade name "Teflon" from Dupont) bonded graphite electrodes with platinum group elements, such as ruthenium, to minimize chlorine overpotentials as anodes. , iridium, ruthenium-iridium, and other reduced oxides.
Effective long-life anodes obtained by stabilizing reduced ruthenium oxide are stable in acids and have extremely low chlorine overpotentials. To perform stabilization, temperature (thermal) stabilization is first performed. That is, the reduced ruthenium oxide is heated below the temperature at which the reduced oxide begins to decompose into pure metal. Therefore, the reduced oxide
Heating to 350-750°C for 30 minutes to 6 hours is preferred, and the thermal stabilization step can be suitably achieved by heating the reduced oxide at a temperature in the range of 550-600°C for 1 hour. . Teflon-bonded graphite electrodes containing reduced ruthenium oxide combine ruthenium with other platinum group elements, such as iridium (IrOx5~25
% iridium, 25% preferred), heat stabilized reduced oxides such as palladium, rhodium, or reduced titanium oxides (TiOx, 25-50% TiOx preferred) or reduced tantalum oxides (25% or more ) can be further stabilized by alloying or mixing with We also found that a ternary alloy of titanium, ruthenium and the reduced oxides of iridium (or tantalum) (Ru, Ir, Ti)Ox is very effective in producing stable, long-life anodes. In the case of a ternary alloy, the composition is preferably 5% by weight of reduced iridium oxide and equal proportions (47.5% by weight) of reduced oxides of ruthenium and the transition metal titanium. For reduced oxides of ruthenium and titanium, a preferred range is 50% ruthenium and 50% titanium by weight. Of course, titanium
It has the advantage of being much cheaper than either ruthenium or iridium. In the electrode structure
Other transition metals such as Nb, Zr or Hf can easily be used in place of Ti or Ta. An alloy of reduced noble metal oxides of ruthenium and iridium is mixed with Teflon along with a reduced oxide of titanium to form a homogeneous mixture. This is further blended with a graphite-Teflon mixture to form a noble metal activated graphite structure. A typical noble metal content for the anode is 0.6 mg/ cm2 of electrode surface, with a preferred range of 1-2.
mg/ cm2 . The cathode can likewise be a mixture of Teflon-bonded graphite with an alloy or mixture of reduced oxides of ruthenium, iridium and titanium, or with ruthenium itself. Or other precious metals,
For example, reduced oxides of platinum, Pt--Ir or Pt--Ru can also be used. The reason is that the cathode is not exposed to the high hydrochloric acid concentrations of the anode, which attack and rapidly dissolve platinum. HC at cathode
The concentration is typically more than 10 times more dilute than the anolyte. Like the anode, the cathode electrode is bonded to and embedded within the surface of the cationic membrane. Reduced ruthenium oxide lowers the overpotential for hydrogen evolution, and iridium and titanium stabilize the ruthenium. The anode current collector that engages the bonded anode layer has a higher chlorine overpotential than the catalytic anode. This reduces the possibility of electrochemical reactions such as chlorine generation occurring at the current collector surface. Suitable materials are Ta, Nb screens or porous graphite sheets. Since the bond electrode surface has a low chlorine overvoltage and a large voltage drop to the collector surface, the chlorine generation reaction is much more likely to occur at the feed electrode surface. Similarly, the cathode current collector is fabricated from a material that has a higher hydrogen overpotential than the cathode. As a result, hydrogen evolution at the current collector is less likely to occur because the overvoltage is low and the current collector shields or shields the electrode to some extent. By maintaining the bath voltage at a minimum level at which chlorine and hydrogen are generated at the electrodes, no gas generation occurs in the current collector since the gas generation overvoltage of the current collector is higher. Membrane Membrane 13 is preferably a stable hydrated cationic film characterized by ion transport selectivity. Cation exchange membranes allow the passage of positively charged cations, but minimize the passage of negatively charged anions. Various ion exchange resins can be formed into membranes that selectively transport cations. Two of these types are the so-called sulfonic acid cation exchange resins and carboxylic acid cation exchange resins. Sulfonic acid cation exchange resins are preferred, the ion exchange groups of which are hydrated sulfonic acid groups SO 3 H
×H 2 O, which is bonded to the polymer main chain through sulfonation. The ion-exchange acid groups are not mobile within the membrane and are fixedly bound to the polymer backbone, ensuring that the electrolyte concentration remains unchanged. As mentioned above, perfluorocarbon sulfonic acid cation membranes are preferred because they have excellent cation transport, are extremely stable, are not affected by acids and strong oxidants, and have excellent thermal stability. This is because it has the same characteristics and remains virtually unchanged over time. A suitable specific cationic polymer membrane is sold by DuPont under the trade name "Nafion" and is a hydrated copolymer of polytetrafluoroethylene (PTFE) and polysulfonyl fluoride vinyl ether containing terminal sulfonic acid groups. It is a membrane that is These membranes are used in hydrogen form, which is the usual form obtained from the manufacturer. The ion exchange capacity (IEC) of a particular sulfonic acid cation exchange membrane depends on the milliequivalents (MEW) of SO 2 groups per gram of dry polymer. The greater the concentration of sulfonic acid groups, the greater the ion exchange capacity,
Therefore, the ability of the hydrated membrane to transport cations is increased. However, as the ion exchange capacity of the membrane increases, the water content also increases, reducing the membrane's ability to repel salts. In the case of hydrochloric acid electrolysis, a suitable ion exchange membrane is that sold by DuPont under the trade name "Nafion 120". The ion exchange membrane used is one in which the membrane's water content and transport properties are fixed by hydrating it in boiling water for one hour. Electrode production To produce reduced oxides of platinum group elements, such as ruthenium, iridium, and transition metals, such as titanium, tantalum, in combination with Teflon-bonded graphite, mixed metal salts can be added directly or with excess sodium salts, such as nitrates. , decomposes thermally in the presence of carbonates, etc. The actual production method modifies Adams' platinum catalyst production method by adding a thermally decomposable halide of iridium, titanium, tantalum or ruthenium, i.e., a salt such as iridium chloride, tantalum chloride, ruthenium chloride or titanium chloride. It is something that As an example (Ru, Ir,
In the case of a Ti)Ox ternary alloy, finely ground halogenated salts of ruthenium, iridium and titanium are combined with the same ruthenium,
Mix iridium and titanium in weight proportions. Excess sodium is added and the mixture is melted in a silica dish at 500-550°C for 3 hours. Wash the residue thoroughly to remove any remaining nitrates and halides. The suspension of mixed oxides thus obtained is reduced at room temperature using electrochemical reduction techniques or by bubbling hydrogen into the mixture. Dry the product completely, grind it,
Sieve through a mesh nylon sieve. The reduced oxide is thermally stabilized by heating a thin layer of catalyst to 550-600° C. for 1 hour before blending with Teflon. An alloy of heat stabilized reduced oxides of ruthenium, iridium and titanium is combined with Teflon and then mixed with a graphite-Teflon mixture. It is clear that when only binary alloy reduced oxides need to be produced, the appropriate combination of noble metal halides can be mixed in the weight ratio desired for the final alloy and then processed as described above. be. To manufacture the electrode, powdered graphite is first mixed with polytetrafluoroethylene particles. An example of a commercially available form of graphite is "Pocographite" manufactured by Union Oil Company.
1748” (trade name). Polytetrafluoroethylene particles are manufactured by DuPont under the trade name "Teflon T".
-30" can be obtained. The amount of Teflon is 15-35
% by weight. A preferred amount is 20% by weight. Combine the reduced oxide with the graphite-Teflon mixture. A mixture of graphite, Teflon and reduced oxide is placed in a mold and heated to sinter the composition into the desired patterned shape, which is then bonded to the surface of the membrane by applying pressure and heat, and the surface bury it inside. Various methods can be used, one example being U.S. Pat. No. 3,134,697 (May 1964) to L.W.
(Mon. 26) Details are described in "Fuel Cells".
In the method described in this patent, an electrode assembly is pressed onto the surface of a partially polymerized ion exchange membrane, thereby integrally bonding the gas-absorbing hydrophobic particle mixture to the membrane and depositing it into the surface of the membrane. Bury it. Operating conditions: In case of chlorine generation, aqueous hydrochloric acid solution is introduced into the anolyte chamber. Preferably, the feed rate is in the range 1-4/min-ft 2 . With such feed rates and high acid concentrations, oxygen evolution at the anode can be minimized, resulting in oxygen concentrations below 0.02%.
If both the feed concentration and the flow rate are too low, the relative amount of water present at the anode that competes with the HC for catalytic reaction sites increases. As a result, water is electrolyzed to produce oxygen at the anode. Oxygen will attack graphite, so oxygen evolution should be minimized.
Hydrochloric acid concentration is 7N (equivalent/) or more, preferably 9
It is preferable to set it as the range of 12N. 1.8~, depending on electrode composition and HC concentration
A working voltage of 2.2 volts is applied to the vessel at 400 amps/square foot, and the vessel and feed solution are maintained at 30°C, or room temperature. Increasing the temperature at which the electrolyzer is operated to or above 80°C (176°C) increases the efficiency of the system and reduces the bath voltage required for chlorine generation. The effect of temperature on performance in a typical hydrated SPE electrolyzer operating at 9-12N HC is shown in the table. (ASF = Ampere/Square Feet)
【表】
現在得られる最善の工業用HC電解システム
においては、80℃(176〓)の温度で作動する場
合にのみ電流密度370アンペア/平方フイート
(ASF)で2.1ボルトの浴電圧を達成できるにすぎ
ない。第表から明らかなように、本発明はかゝ
る工業的システムと比較して低い電圧、低い温度
および高い電流密度での作動を可能にする。
本発明によれば、電解プロセスを常温レベル
(30℃前後)で行うことができ、しかも現在のこ
れより高い温度の槽よりも低い電圧で槽を作動さ
せることができる。浴作動温度を上げることによ
り電圧節減(効率)を向上でき、即ち所定の電流
密度で80℃で0.6〜0.7Vの電圧節減をはかること
ができる。
後述の実施例に明瞭に示されるように、本発明
の塩素電解法によれば、現在達成可能な値に等し
いかそれより低い浴電圧(1.80〜2.2ボルト)高
い電流密度(400ASF)および著しく低い温度
(30℃前後)で効率よく塩素発生を行うことがで
きる。一層高い電流密度、低い浴電圧および著し
く低い温度で作動することの経済的利点は明白で
あり、大変に重要である。
塩酸を電気分解すると陽極に塩素ガスおよび水
素イオンが生成する。H+イオンは膜を横切つて
輸送され、陰極で水素ガスとして排出される。塩
素ガスおよび消費された塩酸供給液を槽から取出
し、新鮮な供給液を前述した範囲内の流量で導入
する。
電解を過圧下で行つて気体状電解生成物の除去
を容易にすることも望ましい。
陽極液および陰極液室を大気圧以上に加圧する
ことにより、電極に形成される気泡の寸法が小さ
くなる。小さい気泡は電極および電極表面からは
るかに容易に離れ、従つて槽からの気体状電解生
成物の除去は促進される。さらに、陽極液および
陰極液の電極への接近を妨害するガス薄膜が電極
表面に形成されるのをなくすか、または最小にす
る傾向があるという意味で、小さい気泡には付加
的な利点もある。1電極のみが膜に結合された折
衷槽構成においては、気泡寸法の減少により、電
解液通路の中断が少なくなるので、膜と非結合電
極との間の空間におけるガス混合および質量移動
損失(「バブル効果」に基づく電圧降下)が最小
になる。
陽イオン交換膜は厚さ約4〜12ミルとすること
ができる。槽を構成する材料は、陽極液室の場合
塩酸および塩素に対して抵抗性であり、陰極液室
の場合水素脆化を受けない材料とすることができ
る。従つて、陽極ハウジングをタンタル、ニオブ
および黒鉛でつくることができ、タンタルまたは
ニオブのスクリーンおよびEPDMのような充填剤
入りゴムのガスケツトを使用する。陰極を形成す
る材料としては黒鉛が好適である。或はまた、槽
ハウジング全体および端板を純粋な黒鉛またはハ
ウジング中に存在する流体およびガスによる侵食
を受けない他の有機材料からつくることができ
る。
実施例
白金族元素および遷移金属の熱安定化還元酸化
物を含有する電極がイオン交換膜に結合された電
解槽を製造し、これを試験して種々の作動条件が
塩酸の電解における槽および触媒の有効性に与え
る影響を具体的に示した。
第表は、白金族元素の熱安定化還元酸化物の
種々の組合せが浴電圧に与える効果を示す。種々
の組合せの還元酸化物を含有するテフロン結合黒
鉛電極を厚さ12ミルの水和陽イオン膜に結合する
ことにより槽を構成した。電流密度400アンペ
ア/平方フイート、30℃、供給流量70c.c./分(有
効槽面積0.05平方フイート)、供給液規定度9〜
11Nにて槽を作動させた。
第表および第表は、同じ槽、同じ条件下で
時間が浴電圧に与える効果を示す。
第表は種々の供給流量および種々のHC濃
度で陽極に発生する酸素を示す。
第表は7.5〜10.5Nの範囲で変わる供給液の酸
濃度の効果を示す。第表の槽No.5と同様の槽
を、白金族元素(Ru,25%Ir)の熱安定化還元
酸化物をテフロン結合黒鉛に添加したものから構
成した。槽を固定流量150c.c./分(有効槽面積
0.05平方フイート)、30℃および400ASFで作動さ
せた。なお、表中のASFはアンペア/平方フイ
ートを示す。Table: The best currently available industrial HC electrolysis systems can achieve a bath voltage of 2.1 volts at a current density of 370 amperes per square foot (ASF) only when operating at a temperature of 80°C (176°C). Only. As is evident from the table, the present invention allows operation at lower voltages, lower temperatures and higher current densities compared to such industrial systems. According to the present invention, the electrolytic process can be carried out at room temperature levels (around 30° C.), and the cell can be operated at a lower voltage than current higher temperature cells. Voltage savings (efficiency) can be improved by increasing the bath operating temperature, ie, voltage savings of 0.6-0.7 V at 80° C. for a given current density. As clearly shown in the Examples below, the chlorine electrolysis process of the present invention provides bath voltages equal to or lower than currently achievable values (1.80-2.2 volts), high current densities (400 ASF) and significantly lower Chlorine can be generated efficiently at a temperature (around 30℃). The economic advantages of operating at higher current densities, lower bath voltages and significantly lower temperatures are obvious and of great importance. When hydrochloric acid is electrolyzed, chlorine gas and hydrogen ions are generated at the anode. H + ions are transported across the membrane and expelled as hydrogen gas at the cathode. The chlorine gas and the spent hydrochloric acid feed are removed from the tank and fresh feed is introduced at a flow rate within the ranges described above. It is also desirable to conduct the electrolysis under superpressure to facilitate removal of gaseous electrolysis products. By pressurizing the anolyte and catholyte chambers above atmospheric pressure, the size of the bubbles formed in the electrodes is reduced. Small air bubbles detach much more easily from the electrode and electrode surface, thus facilitating the removal of gaseous electrolysis products from the cell. Furthermore, small bubbles also have an additional advantage in that they tend to eliminate or minimize the formation of gas films on the electrode surface that would impede access of the anolyte and catholyte to the electrode. . In an eclectic cell configuration in which only one electrode is bonded to the membrane, the reduced bubble size results in fewer interruptions in electrolyte passage, thereby reducing gas mixing and mass transfer losses in the space between the membrane and the non-bonded electrode (" voltage drop due to "bubble effect") is minimized. The cation exchange membrane can be about 4 to 12 mils thick. The material constituting the bath can be a material that is resistant to hydrochloric acid and chlorine in the case of the anolyte compartment and is not subject to hydrogen embrittlement in the case of the catholyte compartment. Thus, the anode housing can be made of tantalum, niobium and graphite, using a tantalum or niobium screen and a filled rubber gasket such as EPDM. Graphite is suitable as a material for forming the cathode. Alternatively, the entire vessel housing and end plates can be made from pure graphite or other organic materials that are not susceptible to attack by the fluids and gases present in the housing. EXAMPLE An electrolytic cell in which an electrode containing thermally stabilized reduced oxides of platinum group elements and transition metals was bonded to an ion exchange membrane was manufactured and tested under various operating conditions. The impact on the effectiveness of the system was specifically shown. The table shows the effect of various combinations of thermally stabilized reduced oxides of platinum group elements on bath voltage. The vessels were constructed by bonding Teflon-bonded graphite electrodes containing various combinations of reduced oxides to a 12 mil thick hydrated cation membrane. Current density 400 amperes/ft2, 30°C, feed flow rate 70 c.c./min (effective tank area 0.05 ft2), feed normality 9~
The tank was operated at 11N. Tables 1 and 2 show the effect of time on bath voltage under the same bath and under the same conditions. The table shows the oxygen evolved at the anode at various feed rates and various HC concentrations. The table shows the effect of feed acid concentration varying from 7.5 to 10.5N. A tank similar to Tank No. 5 in Table 1 was constructed with a heat stabilized reduced oxide of a platinum group element (Ru, 25% Ir) added to Teflon bonded graphite. The tank has a fixed flow rate of 150c.c./min (effective tank area)
0.05 sq ft), operated at 30°C and 400 ASF. Note that ASF in the table indicates ampere/square foot.
【表】【table】
【表】
*第表の注参照
[Table] *See notes to table
【表】【table】
【表】【table】
【表】
上記実施例から明らかなように、HCのよう
なハロゲン化水素の電解により実質的に酸素を含
まない塩素が生成する。結合電極構造とともに電
解槽に用いられた触媒は低い過電圧により特徴付
けられる。電解を低い温度(30℃前後)で行うこ
とができ、その結果電解槽を経済的に運転でき
る。さらに、データは高い電流密度、特に300〜
400ASFで優れた性能を発揮する極めて効率のよ
いプロセスであることを示している。この高い電
流密度が本発明の具体例である塩素電解槽の設備
コストに積極的な有利な作用をなすことは勿論で
ある。[Table] As is clear from the above examples, chlorine containing substantially no oxygen is produced by electrolysis of hydrogen halide such as HC. Catalysts used in electrolyzers with coupled electrode structures are characterized by low overpotentials. Electrolysis can be carried out at low temperatures (around 30°C), resulting in economical operation of the electrolyzer. Furthermore, the data show that high current densities, especially 300~
This shows that it is an extremely efficient process with excellent performance at 400ASF. It goes without saying that this high current density has a positive effect on the equipment cost of the chlorine electrolyzer which is a specific example of the present invention.
第1図は本発明の方法に用いる固体ポリマー電
解質膜を有する電解槽を示す分解斜視図、およ
び、第2図は電解槽の種々の部分で起る反応を付
記した膜の断面図である。
10…電解槽、11…陰極室、12…陽極室、
13…固体ポリマー電解質膜、14…陰極、1
5,16…黒鉛製電流コレクタ、17,18…ガ
スケツト、19…電解液入口、20…陽極室内
部、21…出口導管、22…陰極出口導管、23
…ケーブル、24…陽極。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an electrolytic cell having a solid polymer electrolyte membrane used in the method of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the membrane with notes of reactions occurring in various parts of the electrolytic cell. 10... Electrolytic cell, 11... Cathode chamber, 12... Anode chamber,
13...Solid polymer electrolyte membrane, 14...Cathode, 1
5, 16... Graphite current collector, 17, 18... Gasket, 19... Electrolyte inlet, 20... Anode chamber interior, 21... Outlet conduit, 22... Cathode outlet conduit, 23
...cable, 24...anode.
Claims (1)
極間でハロゲン化水素の水溶液を電解してハロゲ
ンを発生する方法に於いて、前記電極の少なくと
も一方が気体透過性で、導電性の白金族金属触媒
を含み、前記膜と直接接触して該膜と共に膜―電
極一体構造を形成しており、この膜―電極一体構
造で電解による気体生成物が発生される、ハロゲ
ンの発生方法。 2 前記少なくとも一方の電極が膜の一面あるい
はそれぞれの面に埋設された粒子の形態を成し気
体及び電解質に対し透過性の電極を形成している
特許請求の範囲第1項記載の方法。 3 一表面が前記少なくとも一方の電極に接触し
た導電性電流コレクタによつて前記少なくとも一
方の電極に電位が印加され、電流コレクタの前記
表面が該表面が接触している電極よりも水素又は
ハロゲンに対しより高い過電圧を有する特許請求
の範囲第1項又は第2項のいずれか1項に記載の
方法。 4 酸素の濃度を5容量%より低く保持する為に
ハロゲン化水素の濃度を7Nより高くする、特許
請求の範囲第1項〜第3項のいずれか1項に記載
の方法。 5 ハロゲン発生電極に於ける酸素が2容量%よ
り低い、特許請求の範囲第1項〜第4項のいずれ
か1項に記載の方法。 6 酸素の濃度を2容量%より低く維持する為に
ハロゲン化水素の濃度が7〜12Nの範囲に維持さ
れる特許請求の範囲第5項記載の方法。 7 イオン交換膜が電解質に対して不透過性であ
り、導電性触媒がフルオロカーボンポリマーによ
つて結合された複数の導電性粒子として存在す
る、特許請求の範囲第1項〜第6項のいずれか1
項に記載の方法。 8 両電極が膜の各側面にそれぞれ付着され、電
流コレクタが両電極の各々と接触している、特許
請求の範囲第1項〜第7項のいずれか1項に記載
の方法。 9 導電性触媒が白金族金属の熱的に安定化され
た還元酸化物粒子から成る特許請求の範囲第1項
〜第8項のいずれか1項に記載の方法。 10 ルテニウムの還元酸化物粒子が別の白金族
金属又はバルブメタルの熱的に安定化された還元
酸化物少なくとも1種を含むことによつて活性化
されている特許請求の範囲第9項記載の方法。 11 白金族金属の還元酸化物粒子が導電性黒鉛
粒子と共に電極層に存在する特許請求の範囲第9
項記載の方法。 12 陽極及び陰極の電極層に存在する導電性黒
鉛粒子がルテニウムの還元酸化物粒子で活性化さ
れている、特許請求の範囲第11項記載の方法。 13 各電極層に存在する導電性粒子が、白金族
金属及びバルブメタルの還元酸化物を包含する物
質のうちの少なくとも2種の物質の粒子を含有
し、この少なくとも2種の物質のうちの少なくと
も1種を白金族金属の還元酸化物とすることによ
つて、活性化されている、特許請求の範囲第9項
記載の方法。 14 白金族金属の還元酸化物がルテニウムの熱
安定化された還元酸化物である特許請求の範囲第
13項記載の方法。 15 二元系を形成する為にイリジウム、タンタ
ル、チタン又はニオブの還元酸化物から選ばれた
金属還元酸化物によつて陽極電極が更に安定化さ
れている、特許請求の範囲第14項記載の方法。 16 陽極電極がイリジウムの還元酸化物を含む
ことによつて更に安定化されている特許請求の範
囲第15項記載の方法。 17 陽極電極がルテニウム及びイリジウムの還
元酸化物を含み、更にチタン、ニオブ又はタンタ
ルの還元酸化物を含むことによつて三元系を形成
している、特許請求の範囲第16項記載の方法。 18 ルテニウム及びイリジウムの還元酸化物と
共に三元系を形成する為に陽極電極がチタンの還
元酸化物を含む、特許請求の範囲第17項記載の
方法。[Scope of Claims] 1. In a method of generating halogen by electrolyzing an aqueous solution of hydrogen halide between an anode and a cathode separated by an ion exchange membrane, at least one of the electrodes is gas permeable, It contains a conductive platinum group metal catalyst, and is in direct contact with the membrane to form an integrated membrane-electrode structure, in which gaseous products are generated by electrolysis. How it occurs. 2. The method of claim 1, wherein the at least one electrode is in the form of particles embedded in one or each surface of the membrane, forming an electrode permeable to gas and electrolyte. 3. A potential is applied to said at least one electrode by a conductive current collector with one surface in contact with said at least one electrode, said surface of the current collector being more hydrogen or halogen than the electrode with which said surface is in contact. 3. A method according to claim 1, wherein the method has a higher overvoltage. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the hydrogen halide concentration is higher than 7N in order to maintain the oxygen concentration lower than 5% by volume. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxygen content in the halogen generating electrode is lower than 2% by volume. 6. The method of claim 5, wherein the concentration of hydrogen halide is maintained in the range 7 to 12N to maintain the concentration of oxygen below 2% by volume. 7. Any one of claims 1 to 6, wherein the ion exchange membrane is impermeable to the electrolyte and the conductive catalyst is present as a plurality of conductive particles bound by a fluorocarbon polymer. 1
The method described in section. 8. The method of any one of claims 1 to 7, wherein both electrodes are respectively attached to each side of the membrane, and the current collector is in contact with each of the two electrodes. 9. The method of any one of claims 1 to 8, wherein the conductive catalyst comprises thermally stabilized reduced oxide particles of a platinum group metal. 10. The reduced oxide particles of ruthenium are activated by containing at least one thermally stabilized reduced oxide of another platinum group metal or a valve metal. Method. 11 Claim 9, in which reduced oxide particles of platinum group metal are present in the electrode layer together with conductive graphite particles
The method described in section. 12. The method according to claim 11, wherein the conductive graphite particles present in the electrode layers of the anode and cathode are activated with reduced oxide particles of ruthenium. 13 The conductive particles present in each electrode layer contain particles of at least two substances including a platinum group metal and a reduced oxide of a valve metal, and at least one of the at least two substances 10. The method according to claim 9, wherein one of the oxidants is activated by a reduced oxide of a platinum group metal. 14. The method of claim 13, wherein the reduced oxide of a platinum group metal is a thermally stabilized reduced oxide of ruthenium. 15. The anode electrode according to claim 14, wherein the anode electrode is further stabilized by a reduced metal oxide selected from reduced oxides of iridium, tantalum, titanium or niobium to form a binary system. Method. 16. The method of claim 15, wherein the anode electrode is further stabilized by containing a reduced oxide of iridium. 17. The method according to claim 16, wherein the anode electrode contains reduced oxides of ruthenium and iridium, and further contains reduced oxides of titanium, niobium, or tantalum to form a ternary system. 18. The method of claim 17, wherein the anode electrode comprises a reduced oxide of titanium to form a ternary system with reduced oxides of ruthenium and iridium.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US858942 | 1977-12-09 | ||
| US922287 | 1978-07-06 | ||
| US05/922,287 US4210501A (en) | 1977-12-09 | 1978-07-06 | Generation of halogens by electrolysis of hydrogen halides in a cell having catalytic electrodes bonded to a solid polymer electrolyte |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58117884A JPS58117884A (en) | 1983-07-13 |
| JPS6134516B2 true JPS6134516B2 (en) | 1986-08-08 |
Family
ID=25446829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57198806A Granted JPS58117884A (en) | 1977-12-09 | 1982-11-12 | Halogen electrolytic production |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58117884A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6453923A (en) * | 1987-08-21 | 1989-03-01 | Ishikawajima Harima Heavy Ind | Core hopper device |
-
1982
- 1982-11-12 JP JP57198806A patent/JPS58117884A/en active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6453923A (en) * | 1987-08-21 | 1989-03-01 | Ishikawajima Harima Heavy Ind | Core hopper device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58117884A (en) | 1983-07-13 |
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