過塩素酸塩の製造装置
【課題】過塩素酸の電解酸化に際して消費電力を低く抑えることができる過塩素酸塩の製造装置の提供。
【解決手段】陽極４が設けられる陽極側と陰極５が設けられる陰極側とが陽イオン交換膜６で仕切られ、陽極側において塩化ナトリウム水溶液あるいは次亜塩素酸ナトリウム水溶液あるいは塩素酸ナトリウム水溶液を電解酸化する電解槽を備える過塩素酸塩の製造装置であって、陽極４は、所定のメッシュ目のサイズを有する第１網状電極４１ａと該所定のメッシュ目のサイズよりも大きなメッシュ目のサイズを有する第２網状電極４１ｂとを積層した多層電極からなり、第１網状電極４１ａが陽イオン交換膜６に接する向きで、陽イオン交換膜６が陽極４と陰極５との間において挟み込まれている電解槽を備えるという構成を採用する。
【解決手段】陽極４が設けられる陽極側と陰極５が設けられる陰極側とが陽イオン交換膜６で仕切られ、陽極側において塩化ナトリウム水溶液あるいは次亜塩素酸ナトリウム水溶液あるいは塩素酸ナトリウム水溶液を電解酸化する電解槽を備える過塩素酸塩の製造装置であって、陽極４は、所定のメッシュ目のサイズを有する第１網状電極４１ａと該所定のメッシュ目のサイズよりも大きなメッシュ目のサイズを有する第２網状電極４１ｂとを積層した多層電極からなり、第１網状電極４１ａが陽イオン交換膜６に接する向きで、陽イオン交換膜６が陽極４と陰極５との間において挟み込まれている電解槽を備えるという構成を採用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過塩素酸塩の製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
過塩素酸塩は、固体燃料ロケットの推進薬の酸化剤（過塩素酸アンモニウム）を始め、リチウム電池の支持電解質（過塩素酸リチウム）やエアバックの着火剤（過塩素酸カリウム）など、様々な用途に利用されている。
ここで、過塩素酸塩の製造方法としては、非特許文献１や非特許文献２に詳しく記述されているように、工業的には塩化ナトリウム水溶液の電解酸化により合成した塩素酸ナトリウム水溶液を更に電解酸化して過塩素酸ナトリウムを合成した後、所定の処理を経て製造される。そこで、これまでの従来技術では、例えば特許文献１や特許文献２に記載に記載されているように、過塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ４）水溶液を効率的に電解酸化するための方法に焦点が当てられてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−１９９３８７号公報
【特許文献２】特開２００７−１９７７４０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｊ． Ｃ． Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ（ｅｄ．）， Ｐｅｒｃｈｌｏｒａｔｅｓ， Ａ．Ｃ．Ｓ．Ｍｏｎｏｇｒａｐｈ Ｎｏ．１４６， Ｒｅｉｎｈｏｌｄ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９６０
【非特許文献２】火薬学会、プロペラント専門部会編、プロペラントハンドブック、ｐｐ．８７−９４、２００５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、過塩素酸ナトリウム以外の過塩素酸塩を製造するにあたり、必ずしも過塩素酸ナトリウムを経由する必要は無い。本願発明者らは、過塩素酸ナトリウムの製造を経由しないで製造工程を簡略化した過塩素酸塩の製造方法を考案した。この製造方法では、陽イオン交換膜を陽極と陰極で挟み込んだ構造の電解槽を用い、塩化ナトリウム水溶液を陽極側で電解酸化して塩素酸を生成し、更に電解酸化して過塩素酸水溶液を生成し、この電解酸化で生成した過塩素酸水溶液に所定のアルカリ性水溶液を加えて、中和反応により過塩素酸塩を合成する。
しかし、この製造方法においては、上記過塩素酸の電解酸化に際して、消費電力が大きいという課題がった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、過塩素酸の電解酸化に際して消費電力を低く抑えることができる過塩素酸塩の製造装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、陽極が設けられる陽極側と陰極が設けられる陰極側とが陽イオン交換膜で仕切られ、上記陽極側において塩化ナトリウム水溶液あるいは次亜塩素酸ナトリウム水溶液あるいは塩素酸ナトリウム水溶液を電解酸化する電解槽を備える過塩素酸塩の製造装置であって、上記陽極は、第１層目に向かうに従ってメッシュ目のサイズが小さくなる順に、複数の網状電極を積層した多層電極からなり、上記第１層目側が上記陽イオン交換膜に接する向きで、上記陽イオン交換膜が、上記陽極と上記陰極との間において挟み込まれている上記電解槽を備えるという構成を採用する。
【０００８】
また、本発明においては、上記陽極は、白金からなる触媒層、あるいは、酸化イリジウム及び白金からなる触媒層、あるいは、あるいは、酸化イリジウム及び酸化ルテニウム及び白金からなる触媒層、あるいは、酸化タンタル及び白金からなる触媒層を基体表面に被覆した上記多層電極からなるという構成を採用する。
また、塩化ナトリウム水溶液あるいは次亜塩素酸ナトリウム水溶液を前記電解酸化する場合には、上記陽極は、酸化イリジウム及び酸化ルテニウムからなる触媒層を基体表面に被覆した上記多層電極からなるという構成を採用する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電解槽の陽極を複数の網状電極を積層した多層電極とし、陽極側における反応効率を高めることで、消費電力を低く抑えることができる。すなわち、陽極側における反応は、水溶液‐電極‐陽イオン交換膜で構成される三界面で生じるので、メッシュ目のサイズが最も小さくなる第１層目の網状電極を陽イオン交換膜に向けて配置することで、陽イオン交換膜との接触面積を増加させて反応効率を高めることができる。また、陽極側では、副生成物として酸素ガスが生成されるが、この酸素ガスが多層電極内に留まると上記三界面の形成を阻害するため、陽イオン交換膜側に対し離間する側に向かうに従ってメッシュ目のサイズが順に大きくなるように網状電極を積層配置することで、第１層目側で生じた酸素ガスの抜けを促進させることができる。
また、本発明においては、特に塩化ナトリウム水溶液を電解酸化する場合に酸素ガスの発生を抑える効果がある、酸化イリジウム及び白金からなる触媒層、あるいは、酸化イリジウム及び酸化ルテニウムからなる触媒層、あるいは、酸化イリジウム及び酸化ルテニウム及び白金からなる触媒層、あるいは、酸化タンタル及び白金からなる触媒層で、被覆した多層電極を用いて陽極を構成することで、陽極側における酸素ガスの発生を抑えて反応効率を高めることできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態における過塩素酸アンモニウム製造装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態における一次電解槽の構成図である。
【図３】本発明の実施形態におけるゼロギャップ型電解セルの分解図である。
【図４】本発明の実施形態における二次電解槽の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態の過塩素酸塩の製造装置について図面を参照して説明する。なお、以下では、本発明を塩化ナトリウム水溶液の電解酸化により、最終的に過塩素酸アンモニウムを製造する場合の製造装置に適用した場合の例について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態における過塩素酸アンモニウム製造装置（過塩素酸塩の製造装置）Ａの概略構成図である。図中のｇ、ｌ、ｓの符号は、それぞれ気体、液体、固体の状態であることを示す。実施形態の過塩素酸アンモニウム製造装置Ａは、一次電解槽１と、二次電解槽２と、反応・蒸発槽３とを備えている。
【００１３】
図２は、本発明の実施形態における一次電解槽１の構成図である。
一次電解槽１は、陽極４が設けられる陽極側４Ａと、陰極５が設けられる陰極側５Ａとを仕切るように設けられた陽イオン交換膜６を有する。一次電解槽１は、後述する電解酸化により、陽極側溶液（アノード液）が強酸性に、陰極側溶液（カソード液）が強アルカリ性となるため、一次電解槽１の本体には、耐化学薬品安定性に優れたもの、例えばテフロン（デュポン（株）、登録商標）や塩化ビニル、ガラスを使用することが望ましい。また、配管の継ぎ手についても、耐化学薬品安定性に優れたもの、例えばテフロン（デュポン（株）、登録商標）を用いることが望ましい。
【００１４】
陽イオン交換膜６は一次電解槽１内で陽極４と陰極５との間にギャップ無しで挟みこまれたゼロギャップ型の電解セルを構成する。この陽イオン交換膜６は、陽イオンは通過でき、陰イオンは通過できないという特性を有する膜であり、本実施形態では、陽イオン交換膜６にナフィオン４２４（Ｎａｆｉｏｎ、デュポン（株）、登録商標）を用いる。なお、陽イオン交換膜としては、苛性ソーダ製造に広く用いられているＡｃｉｐｌｅｘ（旭化成（株）、登録商標）やＦｌｅｍｉｏｎ（旭硝子（株）、登録商標）を用いても良い。
【００１５】
図３は、本発明の実施形態におけるゼロギャップ型電解セルの分解図である。
陽極４は、陽極側４Ａにおける塩素酸イオンの電解酸化反応の促進を図るため触媒を被覆したエキスパンドメタルからなる複数の網状電極（本実施形態では第１網状電極４１ａ及び第２網状電極４１ｂの２つ）を積層した多層電極からなる。この多層電極は、第１網状電極４１ａと第２網状電極４１ｂとをスポット溶接により固定してなる。陽極４は、第２網状電極４１ｂ側で電極支持体７とスポット溶接で固定されて支持される。本実施形態の電極支持体７は、複数の開口を備えるチタンパンチングメタルを用いており、この開口が、陽極４にアノード液を供給する供給路及び陽極４で発生したガスを排出する排出路として機能する。陽極４の第１網状電極４１ａ側（１層目側）は、陽イオン交換膜６と接して配置される。
【００１６】
第１網状電極４１ａ及び第２網状電極４１ｂは、互いにメッシュ目のサイズが異なっており、第１網状電極４１ａのメッシュ目のサイズが第２網状電極４１ｂのメッシュ目のサイズよりも小さい構成となっている。言い換えると、第１網状電極４１ａ及び第２網状電極４１ｂは、互いに開孔率が異なっており、第１網状電極４１ａの開孔率が第２網状電極４１ｂの開孔率よりも大きい構成となっている。なお、ここでいう開孔率とは、エキスパンドメタルのメッシュ度（単位面積当たりに占めるメッシュ目の数）と同義であり、例えばメッシュ度が大きいとメッシュ目のサイズが小さく、メッシュ度が小さいとメッシュ目のサイズが大きくなる。
この第１網状電極４１ａと第２網状電極４１ｂで構成される陽極４は、基体であるチタンエキスパンドメタルの表面を、酸素ガスの発生を抑える効果のある、焼成法により酸化イリジウム及び白金からなる触媒層で被覆した多層電極、あるいは、焼成法により酸化イリジウム及び酸化ルテニウムからなる触媒層で被覆した多層電極、あるいは、焼成法により酸化イリジウム及び酸化ルテニウム及び白金からなる触媒層で被覆した多層電極、あるいは、焼成法により酸化タンタル及び白金からなる触媒層で被覆した多層電極から構成される。
【００１７】
一方、この陽極４と対となる陰極５は、触媒を被覆したエキスパンドメタルからなる複数の網状電極（本実施形態では第１網状電極５１ａ及び第２網状電極５１ｂの２つ）を積層した多層電極からなる。この多層電極は、第１網状電極５１ａと第２網状電極５１ｂとをスポット溶接により固定してなる。陰極５は、第２網状電極５１ｂ側で電極支持体８とスポット溶接で固定されて支持される。本実施形態の電極支持体８は、複数の開口を備えるチタンパンチングメタルを用いており、この開口が、陰極５にカソード液を供給する供給路及び陰極５で発生したガスを排出する排出路として機能する。陰極５の第１網状電極５１ａ側は、陽イオン交換膜６と接して配置される。
【００１８】
第１網状電極５１ａと第２網状電極５１ｂは、互いにメッシュ目のサイズが異なっており、第１網状電極５１ａのメッシュ目のサイズが第２網状電極５１ｂのメッシュ目のサイズよりも小さい構成となっている。
この第１網状電極５１ａと第２網状電極５１ｂで構成される陰極５は、基体であるチタンエキスパンドメタルの表面を電解メッキにより白金の触媒層で被覆した多層電極、または、ニッケルエキスパンドメタルからなる多層電極から構成される。
【００１９】
図２に戻り、陽極側４Ａには、アノード液を貯溜するアノード液タンク４Ｂが設けられている（以下、電解槽１の陽極側４Ａを陽極側電解槽２Ａと称する）。アノード液タンク４Ｂと陽極側電解槽２Ａとは、配管２７ａ及び配管２７ｂで接続されている。配管２７ａは、陽極側電解槽２Ａの底部とアノード液タンク４Ｂの底部とを接続するものであり、配管２７ｂは、陽極側電解槽２Ａの天部とアノード液タンク４Ｂの側部とを接続するものである。なお、本実施形態のように、陽極４表面において生成する生成物の生成効率を高めるため、アノード液タンク４Ｂの底部には、アノード液を加熱するためのヒータ４Ｂ１を設けても良い。この場合、陽極側電解槽２Ａの側部には、水温を計測する熱電対４Ｂ２を設ける。
【００２０】
一方、陰極側５Ａには、カソード液を貯溜するカソード液タンク５Ｂが設けられる（以下、電解槽１の陰極側５Ａを陰極側電解槽２Ｂと称する）。カソード液タンク５Ｂと陰極側電解槽２Ｂとは、配管２８ａ及び配管２８ｂで接続されている。配管２８ａは、陰極側電解槽２Ｂの底部とカソード液タンク５Ｂの底部とを接続するものであり、配管２８ｂは、陰極側電解槽２Ｂの天部とカソード液タンク５Ｂの側部とを接続するものである。なお、本実施形態のように、陽極５表面において生成する生成物の生成効率を高めるため、カソード液タンク５Ｂの底部には、カソード液を加熱するためのヒータ５Ｂ１を設けても良い。この場合、陰極側電解槽２Ｂの側部には、水温を計測する熱電対５Ｂ２を設ける。
【００２１】
アノード液タンク４Ｂの天部にはアノード液導入配管２１が接続されており、塩化ナトリウム水溶液がアノード液導入配管２１を介して導入され、陽極側４Ａ（陽極側電解槽２Ａ、アノード液タンク４Ｂを含む）を満たす。一方、カソード液タンク５Ｂの天部にはカソード液導入配管２２が接続されており、純水がカソード液導入配管２２を介して導入され、陰極側５Ａ（陰極側電解槽２Ｂ、カソード液タンク５Ｂを含む）を満たす。一次電解槽１の内部で各液にそれぞれ浸された陽極４及び陰極５の両極に電圧を印加すると、次のような反応が進行する。
【００２２】
陽極側４Ａにおいては、塩化ナトリウム水溶液が電解酸化され、下記の反応式（１）、反応式（２）に示す反応が生じる。
２Ｃｌ− → Ｃｌ２＋２ｅ− …（１）
２Ｈ２Ｏ → Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− …（２）
ここで発生した塩素ガスにより、下記の反応式（３）、反応式（４）に示す平衡反応が生じる。この平衡反応は、水溶液のｐＨ及び温度によりその形態が変化する。
Ｃｌ２＋Ｈ２Ｏ ⇔ Ｈ＋＋Ｃｌ−＋ＨＣｌＯ …（３）
ＨＣｌＯ ⇔ Ｈ＋＋ＣｌＯ− …（４）
【００２３】
この反応で生じた次亜塩素酸を電解酸化すると、下記の反応式（５）、反応式（６）に示す反応により亜塩素酸が生成される。
ＣｌＯ−＋Ｈ２Ｏ → ＣｌＯ２−＋２Ｈ＋＋２ｅ− …（５）
ＨＣｌＯ＋Ｈ２Ｏ → ＨＣｌＯ２−＋２Ｈ＋＋２ｅ− …（６）
生成された亜塩素酸を更に電解酸化すると、下記の反応式（７）、反応式（８）に示す反応により塩素酸が生成される。
ＣｌＯ２−＋Ｈ２Ｏ → ＣｌＯ３−＋２Ｈ＋＋２ｅ− …（７）
ＨＣｌＯ２＋Ｈ２Ｏ → ＨＣｌＯ３−＋２Ｈ＋＋２ｅ− …（８）
【００２４】
上記反応式（１）〜反応式（８）に示すように、一次電解工程では、塩素酸と副生成物として酸素ガスが生成される。
ここで、陽極側４Ａの液中に含まれるナトリウムイオンは、両極間の電位差によって陽イオン交換膜６を通過して陽極側４Ａから陰極側５Ａに移動する。一方、次亜塩素酸イオン、亜塩素酸イオンは陽イオン交換膜６を通過できず、水溶液‐陽極４‐陽イオン交換膜６で構成される三界面での反応により塩素酸イオンとなる。
【００２５】
陽極側４Ａにおけるこの反応は、本実施形態のように陽極４を複数の網状電極を積層した多層電極とすることで、その反応効率を高めることができる。すなわち、陽極側４Ａにおける反応は、水溶液‐陽極４‐陽イオン交換膜６で構成される三界面で生じるので、メッシュ目のサイズが最も小さくなる第１網状電極４１ａ側を陽イオン交換膜６に向けて配置すると、陽イオン交換膜６との接触面積が増加して反応効率が高まる。また、陽極側４Ａでは、反応式（２）に示す反応により副生成物として酸素ガスが生成されるが、この酸素ガスが多層電極内に留まると上記三界面の形成を阻害するため、陽イオン交換膜６側に対し離間する側にメッシュ目のサイズの大きい第２網状電極４１ｂを配置して酸素ガスの抜け道を広くすることで、第１網状電極４１ａ側で生じた酸素ガスの抜けを促進させることができる。
【００２６】
また、陽極４を、酸素ガスの発生を抑える効果がある、酸化イリジウム及び白金からなる触媒層、あるいは、酸化イリジウム及び酸化ルテニウムからなる触媒層、あるいは、酸化イリジウム及び酸化ルテニウム及び白金からなる触媒層、あるいは、酸化タンタル及び白金からなる触媒層で、チタンエキスパンドメタルの表面を被覆した多層電極を用いて構成することで、陽極側４Ａにおける酸素ガスの発生を抑えて反応効率を更に高めることができる。
このように陽極側４Ａの反応効率が高まると、アノード液中に十分な量の塩素酸イオンを生成するための総電解時間が短縮されるため、消費電力を低く抑えることが可能となる。
【００２７】
なお、陽極側電解槽２Ａで生じた酸素ガス（気泡）は、配管２７ｂを介してアノード液タンク４Ｂに導かれる。アノード液タンク４Ｂの天部には酸素ガス配管２３が設けられており、酸素ガス配管２３を介して酸素ガスが外部に順次排気される。
また、発生した酸素ガスは配管２７ｂを介してアノード液タンク４Ｂへと順次排出されるために、陽極側電解槽２Ａの底部から配管２７ａを介してアノード液タンク４Ｂからアノード液が順次導入される。従って、アノード液は、ポンプ等の駆動機構によらずに陽極側電解槽２Ａとアノード液タンク４Ｂとの間で循環することとなる。
【００２８】
陰極側５Ａにおいては、下記の反応式（９）、反応式（１０）に示す反応が生じ、水素ガスと水酸化ナトリウムとが生成される。
２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２ …（９）
２Ｎａ＋＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ− → ２ＮａＯＨ＋Ｈ２ …（１０）
なお、陰極側電解槽２Ｂで生じた水素ガス（気泡）は、配管２８ｂを介してカソード液タンク５Ｂに導かれる。カソード液タンク５Ｂの天部には水素ガス配管２４が設けられており、水素ガス配管２４を介して水素ガスが外部に順次排気される。また、陽極側４Ａにおいてアノード液が循環することと同様に、陰極側５Ａにおいても、カソード液の循環作用が得られる。
【００２９】
十分な量の塩素酸イオンが生成されたアノード液は、弁２５Ａを閉状態から開状態にしたアノード液輸送配管２５を介してアノード液タンク４Ｂから二次電解槽２に輸送される。一方、カソード液は、弁２６Ａを閉状態から開状態にしたカソード液輸送配管２６を介してカソード液タンク５Ｂから外部に輸送される。
【００３０】
図４は、本発明の実施形態における二次電解槽２の構成図である。
二次電解槽２は、一次電解槽１で塩素酸イオンを生成したアノード液を電解酸化して過塩素酸を生成する。
なお、以下説明する二次電解槽２の構成は、重複説明を避けるため、上述の一次電解槽１と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
【００３１】
二次電解槽２において、陽イオン交換膜６は陽極４´と陰極５´との間にギャップ無しで挟みこまれたゼロギャップ型の電解セルを構成する。
陽極４´は、陽極側４Ａにおける塩素酸イオンの電解酸化反応の促進を図るため触媒を被覆したエキスパンドメタルからなる複数の網状電極を積層した多層電極からなる。この多層電極は、上述したように、メッシュ目のサイズの異なる２枚の網状電極をスポット溶接により積層して、メッシュ目のサイズが小さい網状電極側が陽イオン交換膜６と接して配置される。
二次電解槽２の陽極４´は、基体であるチタンエキスパンドメタルの表面を、電解メッキにより白金の触媒層で被覆した多層電極から構成される。
【００３２】
一方、この陽極４´と対となる陰極５´は、触媒を被覆したエキスパンドメタルからなる複数の網状電極を積層した多層電極からなる。この多層電極は、上述したように、メッシュ目のサイズの異なる２枚の網状電極をスポット溶接により積層して、メッシュ目のサイズが小さい網状電極側が陽イオン交換膜６と接して配置される。
二次電解槽２の陰極５´は、基体であるチタンエキスパンドメタルの表面を、電解メッキにより白金の触媒層で被覆した多層電極、または、ＳＵＳ３１６エキスパンドメタルからなる多層電極、または、ニッケルエキスパンドメタルからなる多層電極から構成される。
【００３３】
二次電解槽２のアノード液タンク４Ｂの天部にはアノード液導入配管として、一次電解槽１のアノード液輸送配管２５が接続されており、一次電解工程を経たアノード液がアノード液輸送配管２５を介して導入され、陽極側４Ａ（陽極側電解槽２Ａ、アノード液タンク４Ｂを含む）を満たす。一方、カソード液タンク５Ｂの天部にはカソード液導入配管２２が接続されており、純水がカソード液導入配管２２を介して導入され、陰極側５Ａ（陰極側電解槽２Ｂ、カソード液タンク５Ｂを含む）を満たす。二次電解槽２の内部で各液にそれぞれ浸された陽極４´及び陰極５´の両極に電圧を印加すると、次のような反応が進行する。
【００３４】
陽極側４Ａにおいては、一次電解工程を経たアノード液が電解酸化され、下記の反応式（１１）、反応式（１２）に示すように、過塩素酸イオンと副生成物として酸素ガスが生成される。なお、微量ではあるが、下記の反応式（１３）に示すように、オゾンガスも副生成物として生成される。
ＣｌＯ３−＋Ｈ２Ｏ → ＣｌＯ４−＋２Ｈ＋＋２ｅ− …（１１）
２Ｈ２Ｏ → Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− …（１２）
３Ｈ２Ｏ → Ｏ３＋６Ｈ＋＋６ｅ− …（１３）
ここで、一次電解においてアノード側へと移動しなかった陽極側４Ａのアノード液中に含まれる残留ナトリウムイオンは、両極間の電位差によって陽イオン交換膜６を通過して陽極側４Ａから陰極側５Ａに移動する。一方、塩素酸イオンは陽イオン交換膜６を通過できず、水溶液‐陽極４´‐陽イオン交換膜６で構成される三界面で反応式（１１）に示す反応により過塩素酸イオンとなる。
【００３５】
陽極側４Ａにおけるこの反応は、本実施形態のように陽極４´を複数の網状電極を積層した多層電極とすることで、その反応効率を高めることができる。すなわち、陽極側４Ａにおける反応は、水溶液‐陽極４´‐陽イオン交換膜６で構成される三界面で生じるので、メッシュ目のサイズが最も小さくなる網状電極側を陽イオン交換膜６に向けて配置すると、陽イオン交換膜６との接触面積が増加して反応効率が高まる。また、陽極側４Ａでは、反応式（１２）に示す反応により副生成物として酸素ガスが生成されるが、この酸素ガスが多層電極内に留まると上記三界面の形成を阻害するため、陽イオン交換膜６側に対し離間する側にメッシュ目のサイズの大きい網状電極を配置して酸素ガスの抜け道を広くすることで、酸素ガスの抜けを促進させることができる。
このように陽極側４Ａの反応効率が高まると、アノード液中に十分な量の過塩素酸イオンを生成するための総電解時間が短縮されるため、消費電力を低く抑えることが可能となる。
【００３６】
陰極側５Ａにおいては、下記の反応式（１４）、反応式（１５）に示す反応が生じ、水素ガスと水酸化ナトリウムとが生成される。
２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２ …（１４）
２Ｎａ＋＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ− → ２ＮａＯＨ＋Ｈ２ …（１５）
十分な量の過塩素酸イオンが生成されたアノード液は、弁２５Ａを閉状態から開状態にしたアノード液輸送配管２５´を介してアノード液タンク４Ｂから反応・蒸発槽３に輸送される。一方、カソード液は、弁２６Ａを閉状態から開状態にしたカソード液輸送配管２６を介してカソード液タンク５Ｂから外部に輸送される。
【００３７】
反応・蒸発槽３では、電解酸化後のアノード液中にアンモニアガスを添加して過塩素酸アンモニウムを合成する工程と、合成後のアノード液を減圧環境下で蒸発させて過塩素酸アンモニウムを晶析させる工程とを行う。なお、ここでアンモニアガスの代わりにアンモニア水溶液を添加してもよい。
反応・蒸発槽３には、アンモニアガス供給配管３１が接続されており、電解酸化後のアノード液中にアンモニアガスをバブリングする構成となっている。電解酸化後のアノード液中にアンモニアガスを添加すると、下記の反応式（１６）に示す中和反応が生じ、過塩素酸アンモニウムが合成される。
ＨＣｌＯ４＋ＮＨ４ＯＨ → ＮＨ４ＣｌＯ４＋Ｈ２Ｏ …（１６）
【００３８】
次に、反応・蒸発槽３において、合成後のアノード液を減圧環境下で蒸発させて過塩素酸アンモニウムを結晶として取り出す。反応式（１６）に示すように、過塩素酸アンモニウムと共に得られる副生成物は水であるため、水を蒸発させるだけで高純度の過塩素酸アンモニウムの結晶が得られる。なお、上記蒸発法の代替法として、上記中和反応後の水溶液を蒸発させて濃縮した後、該濃縮液を冷却することにより過塩素酸アンモニウム結晶を取り出す冷却晶析法を用いても良い。
【００３９】
以上のように、本実施形態によれば、陽極４が設けられる陽極側４Ａと陰極５が設けられる陰極側５Ａとが陽イオン交換膜６で仕切られ、陽極側４Ａにおいて塩化ナトリウム水溶液を電解酸化する一次電解槽１を備える過塩素酸アンモニウム製造装置Ａであって、陽極４は、所定のメッシュ目のサイズを有する第１網状電極４１ａと該所定のメッシュ目のサイズよりも大きなメッシュ目のサイズを有する第２網状電極４１ｂとを積層した多層電極からなり、第１網状電極４１ａが陽イオン交換膜６に接する向きで、陽イオン交換膜６が陽極４と陰極５との間において挟み込まれている一次電解槽１を備えるという構成を採用することによって、陽極側４Ａにおける反応効率を高めて、消費電力を低く抑えることができる。
また、本実施形態によれば、陽極４´が設けられる陽極側４Ａと陰極５´が設けられる陰極側５Ａとが陽イオン交換膜６で仕切られ、陽極側４Ａにおいて一次電解したアノード液を電解酸化する二次電解槽２を備える過塩素酸アンモニウム製造装置Ａであって、陽極４´は、所定のメッシュ目のサイズを有する第１網状電極と該所定のメッシュ目のサイズよりも大きなメッシュ目のサイズを有する第２網状電極とを積層した多層電極からなり、第１網状電極が陽イオン交換膜６に接する向きで、陽イオン交換膜６が陽極４´と陰極５´との間において挟み込まれている二次電解槽２を備えるという構成を採用することによって、陽極側４Ａにおける反応効率を高めて、消費電力を低く抑えることができる。
【００４０】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４１】
例えば、上記実施形態では、２つの網状電極を積層した多層電極で、陽極及び陰極を構成する形態を例示して説明したが、２つ以上の網状電極を積層した多層電極（例えば３層、４層電極）で、陽極及び陰極を構成する形態であっても良い。この場合は、反応効率を高めるため、メッシュ目のサイズが最も小さくなる第１層目を、陽イオン交換膜に向けて配置する。
【００４２】
また、例えば、上記実施形態では、電解槽の陽極側において電解酸化する原料として、塩化ナトリウム水溶液を用いて電解酸化する形態を例示して説明したが、次亜塩素酸ナトリウム水溶液あるいは塩素酸ナトリウム水溶液を用いて電解酸化する形態であっても良い。なお、塩素酸ナトリウム水溶液を上記電解酸化する場合には、陽極の触媒層が白金を含むことが反応効率の観点から必須なので、触媒層を酸化イリジウム及び酸化ルテニウムとした陽極は、塩化ナトリウム水溶液あるいは次亜塩素酸ナトリウム水溶液を上記電解酸化する場合に用いることが好ましい。
【００４３】
また、本発明は、上述した過塩素酸アンモニウムの製造装置への適用に限定されるものではなく、過塩素酸リチウムや過塩素酸カリウム等のアルカリ金属過塩素酸塩の製造装置、過塩素酸カルシウム等のアルカリ土類金属過塩素酸塩の製造装置、また、過塩素酸銀の製造装置等にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
Ａ…過塩素酸アンモニウム製造装置（過塩素酸塩の製造装置）、１…一次電解槽、２…二次電解槽、３…反応・蒸発槽、４…陽極、４´…陽極、４Ａ…陽極側、５…陰極、５´…陰極、５Ａ…陰極側、６…陽イオン交換膜、７…電極支持体、８…電極支持体、４１ａ…第１網状電極（第１層目）、４１ｂ…第２網状電極、５１ａ…第１網状電極、５１ｂ…第２網状電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過塩素酸塩の製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
過塩素酸塩は、固体燃料ロケットの推進薬の酸化剤（過塩素酸アンモニウム）を始め、リチウム電池の支持電解質（過塩素酸リチウム）やエアバックの着火剤（過塩素酸カリウム）など、様々な用途に利用されている。
ここで、過塩素酸塩の製造方法としては、非特許文献１や非特許文献２に詳しく記述されているように、工業的には塩化ナトリウム水溶液の電解酸化により合成した塩素酸ナトリウム水溶液を更に電解酸化して過塩素酸ナトリウムを合成した後、所定の処理を経て製造される。そこで、これまでの従来技術では、例えば特許文献１や特許文献２に記載に記載されているように、過塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ４）水溶液を効率的に電解酸化するための方法に焦点が当てられてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−１９９３８７号公報
【特許文献２】特開２００７−１９７７４０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｊ． Ｃ． Ｓｃｈｕｍａｃｈｅｒ（ｅｄ．）， Ｐｅｒｃｈｌｏｒａｔｅｓ， Ａ．Ｃ．Ｓ．Ｍｏｎｏｇｒａｐｈ Ｎｏ．１４６， Ｒｅｉｎｈｏｌｄ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９６０
【非特許文献２】火薬学会、プロペラント専門部会編、プロペラントハンドブック、ｐｐ．８７−９４、２００５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、過塩素酸ナトリウム以外の過塩素酸塩を製造するにあたり、必ずしも過塩素酸ナトリウムを経由する必要は無い。本願発明者らは、過塩素酸ナトリウムの製造を経由しないで製造工程を簡略化した過塩素酸塩の製造方法を考案した。この製造方法では、陽イオン交換膜を陽極と陰極で挟み込んだ構造の電解槽を用い、塩化ナトリウム水溶液を陽極側で電解酸化して塩素酸を生成し、更に電解酸化して過塩素酸水溶液を生成し、この電解酸化で生成した過塩素酸水溶液に所定のアルカリ性水溶液を加えて、中和反応により過塩素酸塩を合成する。
しかし、この製造方法においては、上記過塩素酸の電解酸化に際して、消費電力が大きいという課題がった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、過塩素酸の電解酸化に際して消費電力を低く抑えることができる過塩素酸塩の製造装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、陽極が設けられる陽極側と陰極が設けられる陰極側とが陽イオン交換膜で仕切られ、上記陽極側において塩化ナトリウム水溶液あるいは次亜塩素酸ナトリウム水溶液あるいは塩素酸ナトリウム水溶液を電解酸化する電解槽を備える過塩素酸塩の製造装置であって、上記陽極は、第１層目に向かうに従ってメッシュ目のサイズが小さくなる順に、複数の網状電極を積層した多層電極からなり、上記第１層目側が上記陽イオン交換膜に接する向きで、上記陽イオン交換膜が、上記陽極と上記陰極との間において挟み込まれている上記電解槽を備えるという構成を採用する。
【０００８】
また、本発明においては、上記陽極は、白金からなる触媒層、あるいは、酸化イリジウム及び白金からなる触媒層、あるいは、あるいは、酸化イリジウム及び酸化ルテニウム及び白金からなる触媒層、あるいは、酸化タンタル及び白金からなる触媒層を基体表面に被覆した上記多層電極からなるという構成を採用する。
また、塩化ナトリウム水溶液あるいは次亜塩素酸ナトリウム水溶液を前記電解酸化する場合には、上記陽極は、酸化イリジウム及び酸化ルテニウムからなる触媒層を基体表面に被覆した上記多層電極からなるという構成を採用する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電解槽の陽極を複数の網状電極を積層した多層電極とし、陽極側における反応効率を高めることで、消費電力を低く抑えることができる。すなわち、陽極側における反応は、水溶液‐電極‐陽イオン交換膜で構成される三界面で生じるので、メッシュ目のサイズが最も小さくなる第１層目の網状電極を陽イオン交換膜に向けて配置することで、陽イオン交換膜との接触面積を増加させて反応効率を高めることができる。また、陽極側では、副生成物として酸素ガスが生成されるが、この酸素ガスが多層電極内に留まると上記三界面の形成を阻害するため、陽イオン交換膜側に対し離間する側に向かうに従ってメッシュ目のサイズが順に大きくなるように網状電極を積層配置することで、第１層目側で生じた酸素ガスの抜けを促進させることができる。
また、本発明においては、特に塩化ナトリウム水溶液を電解酸化する場合に酸素ガスの発生を抑える効果がある、酸化イリジウム及び白金からなる触媒層、あるいは、酸化イリジウム及び酸化ルテニウムからなる触媒層、あるいは、酸化イリジウム及び酸化ルテニウム及び白金からなる触媒層、あるいは、酸化タンタル及び白金からなる触媒層で、被覆した多層電極を用いて陽極を構成することで、陽極側における酸素ガスの発生を抑えて反応効率を高めることできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態における過塩素酸アンモニウム製造装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態における一次電解槽の構成図である。
【図３】本発明の実施形態におけるゼロギャップ型電解セルの分解図である。
【図４】本発明の実施形態における二次電解槽の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態の過塩素酸塩の製造装置について図面を参照して説明する。なお、以下では、本発明を塩化ナトリウム水溶液の電解酸化により、最終的に過塩素酸アンモニウムを製造する場合の製造装置に適用した場合の例について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態における過塩素酸アンモニウム製造装置（過塩素酸塩の製造装置）Ａの概略構成図である。図中のｇ、ｌ、ｓの符号は、それぞれ気体、液体、固体の状態であることを示す。実施形態の過塩素酸アンモニウム製造装置Ａは、一次電解槽１と、二次電解槽２と、反応・蒸発槽３とを備えている。
【００１３】
図２は、本発明の実施形態における一次電解槽１の構成図である。
一次電解槽１は、陽極４が設けられる陽極側４Ａと、陰極５が設けられる陰極側５Ａとを仕切るように設けられた陽イオン交換膜６を有する。一次電解槽１は、後述する電解酸化により、陽極側溶液（アノード液）が強酸性に、陰極側溶液（カソード液）が強アルカリ性となるため、一次電解槽１の本体には、耐化学薬品安定性に優れたもの、例えばテフロン（デュポン（株）、登録商標）や塩化ビニル、ガラスを使用することが望ましい。また、配管の継ぎ手についても、耐化学薬品安定性に優れたもの、例えばテフロン（デュポン（株）、登録商標）を用いることが望ましい。
【００１４】
陽イオン交換膜６は一次電解槽１内で陽極４と陰極５との間にギャップ無しで挟みこまれたゼロギャップ型の電解セルを構成する。この陽イオン交換膜６は、陽イオンは通過でき、陰イオンは通過できないという特性を有する膜であり、本実施形態では、陽イオン交換膜６にナフィオン４２４（Ｎａｆｉｏｎ、デュポン（株）、登録商標）を用いる。なお、陽イオン交換膜としては、苛性ソーダ製造に広く用いられているＡｃｉｐｌｅｘ（旭化成（株）、登録商標）やＦｌｅｍｉｏｎ（旭硝子（株）、登録商標）を用いても良い。
【００１５】
図３は、本発明の実施形態におけるゼロギャップ型電解セルの分解図である。
陽極４は、陽極側４Ａにおける塩素酸イオンの電解酸化反応の促進を図るため触媒を被覆したエキスパンドメタルからなる複数の網状電極（本実施形態では第１網状電極４１ａ及び第２網状電極４１ｂの２つ）を積層した多層電極からなる。この多層電極は、第１網状電極４１ａと第２網状電極４１ｂとをスポット溶接により固定してなる。陽極４は、第２網状電極４１ｂ側で電極支持体７とスポット溶接で固定されて支持される。本実施形態の電極支持体７は、複数の開口を備えるチタンパンチングメタルを用いており、この開口が、陽極４にアノード液を供給する供給路及び陽極４で発生したガスを排出する排出路として機能する。陽極４の第１網状電極４１ａ側（１層目側）は、陽イオン交換膜６と接して配置される。
【００１６】
第１網状電極４１ａ及び第２網状電極４１ｂは、互いにメッシュ目のサイズが異なっており、第１網状電極４１ａのメッシュ目のサイズが第２網状電極４１ｂのメッシュ目のサイズよりも小さい構成となっている。言い換えると、第１網状電極４１ａ及び第２網状電極４１ｂは、互いに開孔率が異なっており、第１網状電極４１ａの開孔率が第２網状電極４１ｂの開孔率よりも大きい構成となっている。なお、ここでいう開孔率とは、エキスパンドメタルのメッシュ度（単位面積当たりに占めるメッシュ目の数）と同義であり、例えばメッシュ度が大きいとメッシュ目のサイズが小さく、メッシュ度が小さいとメッシュ目のサイズが大きくなる。
この第１網状電極４１ａと第２網状電極４１ｂで構成される陽極４は、基体であるチタンエキスパンドメタルの表面を、酸素ガスの発生を抑える効果のある、焼成法により酸化イリジウム及び白金からなる触媒層で被覆した多層電極、あるいは、焼成法により酸化イリジウム及び酸化ルテニウムからなる触媒層で被覆した多層電極、あるいは、焼成法により酸化イリジウム及び酸化ルテニウム及び白金からなる触媒層で被覆した多層電極、あるいは、焼成法により酸化タンタル及び白金からなる触媒層で被覆した多層電極から構成される。
【００１７】
一方、この陽極４と対となる陰極５は、触媒を被覆したエキスパンドメタルからなる複数の網状電極（本実施形態では第１網状電極５１ａ及び第２網状電極５１ｂの２つ）を積層した多層電極からなる。この多層電極は、第１網状電極５１ａと第２網状電極５１ｂとをスポット溶接により固定してなる。陰極５は、第２網状電極５１ｂ側で電極支持体８とスポット溶接で固定されて支持される。本実施形態の電極支持体８は、複数の開口を備えるチタンパンチングメタルを用いており、この開口が、陰極５にカソード液を供給する供給路及び陰極５で発生したガスを排出する排出路として機能する。陰極５の第１網状電極５１ａ側は、陽イオン交換膜６と接して配置される。
【００１８】
第１網状電極５１ａと第２網状電極５１ｂは、互いにメッシュ目のサイズが異なっており、第１網状電極５１ａのメッシュ目のサイズが第２網状電極５１ｂのメッシュ目のサイズよりも小さい構成となっている。
この第１網状電極５１ａと第２網状電極５１ｂで構成される陰極５は、基体であるチタンエキスパンドメタルの表面を電解メッキにより白金の触媒層で被覆した多層電極、または、ニッケルエキスパンドメタルからなる多層電極から構成される。
【００１９】
図２に戻り、陽極側４Ａには、アノード液を貯溜するアノード液タンク４Ｂが設けられている（以下、電解槽１の陽極側４Ａを陽極側電解槽２Ａと称する）。アノード液タンク４Ｂと陽極側電解槽２Ａとは、配管２７ａ及び配管２７ｂで接続されている。配管２７ａは、陽極側電解槽２Ａの底部とアノード液タンク４Ｂの底部とを接続するものであり、配管２７ｂは、陽極側電解槽２Ａの天部とアノード液タンク４Ｂの側部とを接続するものである。なお、本実施形態のように、陽極４表面において生成する生成物の生成効率を高めるため、アノード液タンク４Ｂの底部には、アノード液を加熱するためのヒータ４Ｂ１を設けても良い。この場合、陽極側電解槽２Ａの側部には、水温を計測する熱電対４Ｂ２を設ける。
【００２０】
一方、陰極側５Ａには、カソード液を貯溜するカソード液タンク５Ｂが設けられる（以下、電解槽１の陰極側５Ａを陰極側電解槽２Ｂと称する）。カソード液タンク５Ｂと陰極側電解槽２Ｂとは、配管２８ａ及び配管２８ｂで接続されている。配管２８ａは、陰極側電解槽２Ｂの底部とカソード液タンク５Ｂの底部とを接続するものであり、配管２８ｂは、陰極側電解槽２Ｂの天部とカソード液タンク５Ｂの側部とを接続するものである。なお、本実施形態のように、陽極５表面において生成する生成物の生成効率を高めるため、カソード液タンク５Ｂの底部には、カソード液を加熱するためのヒータ５Ｂ１を設けても良い。この場合、陰極側電解槽２Ｂの側部には、水温を計測する熱電対５Ｂ２を設ける。
【００２１】
アノード液タンク４Ｂの天部にはアノード液導入配管２１が接続されており、塩化ナトリウム水溶液がアノード液導入配管２１を介して導入され、陽極側４Ａ（陽極側電解槽２Ａ、アノード液タンク４Ｂを含む）を満たす。一方、カソード液タンク５Ｂの天部にはカソード液導入配管２２が接続されており、純水がカソード液導入配管２２を介して導入され、陰極側５Ａ（陰極側電解槽２Ｂ、カソード液タンク５Ｂを含む）を満たす。一次電解槽１の内部で各液にそれぞれ浸された陽極４及び陰極５の両極に電圧を印加すると、次のような反応が進行する。
【００２２】
陽極側４Ａにおいては、塩化ナトリウム水溶液が電解酸化され、下記の反応式（１）、反応式（２）に示す反応が生じる。
２Ｃｌ− → Ｃｌ２＋２ｅ− …（１）
２Ｈ２Ｏ → Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− …（２）
ここで発生した塩素ガスにより、下記の反応式（３）、反応式（４）に示す平衡反応が生じる。この平衡反応は、水溶液のｐＨ及び温度によりその形態が変化する。
Ｃｌ２＋Ｈ２Ｏ ⇔ Ｈ＋＋Ｃｌ−＋ＨＣｌＯ …（３）
ＨＣｌＯ ⇔ Ｈ＋＋ＣｌＯ− …（４）
【００２３】
この反応で生じた次亜塩素酸を電解酸化すると、下記の反応式（５）、反応式（６）に示す反応により亜塩素酸が生成される。
ＣｌＯ−＋Ｈ２Ｏ → ＣｌＯ２−＋２Ｈ＋＋２ｅ− …（５）
ＨＣｌＯ＋Ｈ２Ｏ → ＨＣｌＯ２−＋２Ｈ＋＋２ｅ− …（６）
生成された亜塩素酸を更に電解酸化すると、下記の反応式（７）、反応式（８）に示す反応により塩素酸が生成される。
ＣｌＯ２−＋Ｈ２Ｏ → ＣｌＯ３−＋２Ｈ＋＋２ｅ− …（７）
ＨＣｌＯ２＋Ｈ２Ｏ → ＨＣｌＯ３−＋２Ｈ＋＋２ｅ− …（８）
【００２４】
上記反応式（１）〜反応式（８）に示すように、一次電解工程では、塩素酸と副生成物として酸素ガスが生成される。
ここで、陽極側４Ａの液中に含まれるナトリウムイオンは、両極間の電位差によって陽イオン交換膜６を通過して陽極側４Ａから陰極側５Ａに移動する。一方、次亜塩素酸イオン、亜塩素酸イオンは陽イオン交換膜６を通過できず、水溶液‐陽極４‐陽イオン交換膜６で構成される三界面での反応により塩素酸イオンとなる。
【００２５】
陽極側４Ａにおけるこの反応は、本実施形態のように陽極４を複数の網状電極を積層した多層電極とすることで、その反応効率を高めることができる。すなわち、陽極側４Ａにおける反応は、水溶液‐陽極４‐陽イオン交換膜６で構成される三界面で生じるので、メッシュ目のサイズが最も小さくなる第１網状電極４１ａ側を陽イオン交換膜６に向けて配置すると、陽イオン交換膜６との接触面積が増加して反応効率が高まる。また、陽極側４Ａでは、反応式（２）に示す反応により副生成物として酸素ガスが生成されるが、この酸素ガスが多層電極内に留まると上記三界面の形成を阻害するため、陽イオン交換膜６側に対し離間する側にメッシュ目のサイズの大きい第２網状電極４１ｂを配置して酸素ガスの抜け道を広くすることで、第１網状電極４１ａ側で生じた酸素ガスの抜けを促進させることができる。
【００２６】
また、陽極４を、酸素ガスの発生を抑える効果がある、酸化イリジウム及び白金からなる触媒層、あるいは、酸化イリジウム及び酸化ルテニウムからなる触媒層、あるいは、酸化イリジウム及び酸化ルテニウム及び白金からなる触媒層、あるいは、酸化タンタル及び白金からなる触媒層で、チタンエキスパンドメタルの表面を被覆した多層電極を用いて構成することで、陽極側４Ａにおける酸素ガスの発生を抑えて反応効率を更に高めることができる。
このように陽極側４Ａの反応効率が高まると、アノード液中に十分な量の塩素酸イオンを生成するための総電解時間が短縮されるため、消費電力を低く抑えることが可能となる。
【００２７】
なお、陽極側電解槽２Ａで生じた酸素ガス（気泡）は、配管２７ｂを介してアノード液タンク４Ｂに導かれる。アノード液タンク４Ｂの天部には酸素ガス配管２３が設けられており、酸素ガス配管２３を介して酸素ガスが外部に順次排気される。
また、発生した酸素ガスは配管２７ｂを介してアノード液タンク４Ｂへと順次排出されるために、陽極側電解槽２Ａの底部から配管２７ａを介してアノード液タンク４Ｂからアノード液が順次導入される。従って、アノード液は、ポンプ等の駆動機構によらずに陽極側電解槽２Ａとアノード液タンク４Ｂとの間で循環することとなる。
【００２８】
陰極側５Ａにおいては、下記の反応式（９）、反応式（１０）に示す反応が生じ、水素ガスと水酸化ナトリウムとが生成される。
２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２ …（９）
２Ｎａ＋＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ− → ２ＮａＯＨ＋Ｈ２ …（１０）
なお、陰極側電解槽２Ｂで生じた水素ガス（気泡）は、配管２８ｂを介してカソード液タンク５Ｂに導かれる。カソード液タンク５Ｂの天部には水素ガス配管２４が設けられており、水素ガス配管２４を介して水素ガスが外部に順次排気される。また、陽極側４Ａにおいてアノード液が循環することと同様に、陰極側５Ａにおいても、カソード液の循環作用が得られる。
【００２９】
十分な量の塩素酸イオンが生成されたアノード液は、弁２５Ａを閉状態から開状態にしたアノード液輸送配管２５を介してアノード液タンク４Ｂから二次電解槽２に輸送される。一方、カソード液は、弁２６Ａを閉状態から開状態にしたカソード液輸送配管２６を介してカソード液タンク５Ｂから外部に輸送される。
【００３０】
図４は、本発明の実施形態における二次電解槽２の構成図である。
二次電解槽２は、一次電解槽１で塩素酸イオンを生成したアノード液を電解酸化して過塩素酸を生成する。
なお、以下説明する二次電解槽２の構成は、重複説明を避けるため、上述の一次電解槽１と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
【００３１】
二次電解槽２において、陽イオン交換膜６は陽極４´と陰極５´との間にギャップ無しで挟みこまれたゼロギャップ型の電解セルを構成する。
陽極４´は、陽極側４Ａにおける塩素酸イオンの電解酸化反応の促進を図るため触媒を被覆したエキスパンドメタルからなる複数の網状電極を積層した多層電極からなる。この多層電極は、上述したように、メッシュ目のサイズの異なる２枚の網状電極をスポット溶接により積層して、メッシュ目のサイズが小さい網状電極側が陽イオン交換膜６と接して配置される。
二次電解槽２の陽極４´は、基体であるチタンエキスパンドメタルの表面を、電解メッキにより白金の触媒層で被覆した多層電極から構成される。
【００３２】
一方、この陽極４´と対となる陰極５´は、触媒を被覆したエキスパンドメタルからなる複数の網状電極を積層した多層電極からなる。この多層電極は、上述したように、メッシュ目のサイズの異なる２枚の網状電極をスポット溶接により積層して、メッシュ目のサイズが小さい網状電極側が陽イオン交換膜６と接して配置される。
二次電解槽２の陰極５´は、基体であるチタンエキスパンドメタルの表面を、電解メッキにより白金の触媒層で被覆した多層電極、または、ＳＵＳ３１６エキスパンドメタルからなる多層電極、または、ニッケルエキスパンドメタルからなる多層電極から構成される。
【００３３】
二次電解槽２のアノード液タンク４Ｂの天部にはアノード液導入配管として、一次電解槽１のアノード液輸送配管２５が接続されており、一次電解工程を経たアノード液がアノード液輸送配管２５を介して導入され、陽極側４Ａ（陽極側電解槽２Ａ、アノード液タンク４Ｂを含む）を満たす。一方、カソード液タンク５Ｂの天部にはカソード液導入配管２２が接続されており、純水がカソード液導入配管２２を介して導入され、陰極側５Ａ（陰極側電解槽２Ｂ、カソード液タンク５Ｂを含む）を満たす。二次電解槽２の内部で各液にそれぞれ浸された陽極４´及び陰極５´の両極に電圧を印加すると、次のような反応が進行する。
【００３４】
陽極側４Ａにおいては、一次電解工程を経たアノード液が電解酸化され、下記の反応式（１１）、反応式（１２）に示すように、過塩素酸イオンと副生成物として酸素ガスが生成される。なお、微量ではあるが、下記の反応式（１３）に示すように、オゾンガスも副生成物として生成される。
ＣｌＯ３−＋Ｈ２Ｏ → ＣｌＯ４−＋２Ｈ＋＋２ｅ− …（１１）
２Ｈ２Ｏ → Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− …（１２）
３Ｈ２Ｏ → Ｏ３＋６Ｈ＋＋６ｅ− …（１３）
ここで、一次電解においてアノード側へと移動しなかった陽極側４Ａのアノード液中に含まれる残留ナトリウムイオンは、両極間の電位差によって陽イオン交換膜６を通過して陽極側４Ａから陰極側５Ａに移動する。一方、塩素酸イオンは陽イオン交換膜６を通過できず、水溶液‐陽極４´‐陽イオン交換膜６で構成される三界面で反応式（１１）に示す反応により過塩素酸イオンとなる。
【００３５】
陽極側４Ａにおけるこの反応は、本実施形態のように陽極４´を複数の網状電極を積層した多層電極とすることで、その反応効率を高めることができる。すなわち、陽極側４Ａにおける反応は、水溶液‐陽極４´‐陽イオン交換膜６で構成される三界面で生じるので、メッシュ目のサイズが最も小さくなる網状電極側を陽イオン交換膜６に向けて配置すると、陽イオン交換膜６との接触面積が増加して反応効率が高まる。また、陽極側４Ａでは、反応式（１２）に示す反応により副生成物として酸素ガスが生成されるが、この酸素ガスが多層電極内に留まると上記三界面の形成を阻害するため、陽イオン交換膜６側に対し離間する側にメッシュ目のサイズの大きい網状電極を配置して酸素ガスの抜け道を広くすることで、酸素ガスの抜けを促進させることができる。
このように陽極側４Ａの反応効率が高まると、アノード液中に十分な量の過塩素酸イオンを生成するための総電解時間が短縮されるため、消費電力を低く抑えることが可能となる。
【００３６】
陰極側５Ａにおいては、下記の反応式（１４）、反応式（１５）に示す反応が生じ、水素ガスと水酸化ナトリウムとが生成される。
２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ２ …（１４）
２Ｎａ＋＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ− → ２ＮａＯＨ＋Ｈ２ …（１５）
十分な量の過塩素酸イオンが生成されたアノード液は、弁２５Ａを閉状態から開状態にしたアノード液輸送配管２５´を介してアノード液タンク４Ｂから反応・蒸発槽３に輸送される。一方、カソード液は、弁２６Ａを閉状態から開状態にしたカソード液輸送配管２６を介してカソード液タンク５Ｂから外部に輸送される。
【００３７】
反応・蒸発槽３では、電解酸化後のアノード液中にアンモニアガスを添加して過塩素酸アンモニウムを合成する工程と、合成後のアノード液を減圧環境下で蒸発させて過塩素酸アンモニウムを晶析させる工程とを行う。なお、ここでアンモニアガスの代わりにアンモニア水溶液を添加してもよい。
反応・蒸発槽３には、アンモニアガス供給配管３１が接続されており、電解酸化後のアノード液中にアンモニアガスをバブリングする構成となっている。電解酸化後のアノード液中にアンモニアガスを添加すると、下記の反応式（１６）に示す中和反応が生じ、過塩素酸アンモニウムが合成される。
ＨＣｌＯ４＋ＮＨ４ＯＨ → ＮＨ４ＣｌＯ４＋Ｈ２Ｏ …（１６）
【００３８】
次に、反応・蒸発槽３において、合成後のアノード液を減圧環境下で蒸発させて過塩素酸アンモニウムを結晶として取り出す。反応式（１６）に示すように、過塩素酸アンモニウムと共に得られる副生成物は水であるため、水を蒸発させるだけで高純度の過塩素酸アンモニウムの結晶が得られる。なお、上記蒸発法の代替法として、上記中和反応後の水溶液を蒸発させて濃縮した後、該濃縮液を冷却することにより過塩素酸アンモニウム結晶を取り出す冷却晶析法を用いても良い。
【００３９】
以上のように、本実施形態によれば、陽極４が設けられる陽極側４Ａと陰極５が設けられる陰極側５Ａとが陽イオン交換膜６で仕切られ、陽極側４Ａにおいて塩化ナトリウム水溶液を電解酸化する一次電解槽１を備える過塩素酸アンモニウム製造装置Ａであって、陽極４は、所定のメッシュ目のサイズを有する第１網状電極４１ａと該所定のメッシュ目のサイズよりも大きなメッシュ目のサイズを有する第２網状電極４１ｂとを積層した多層電極からなり、第１網状電極４１ａが陽イオン交換膜６に接する向きで、陽イオン交換膜６が陽極４と陰極５との間において挟み込まれている一次電解槽１を備えるという構成を採用することによって、陽極側４Ａにおける反応効率を高めて、消費電力を低く抑えることができる。
また、本実施形態によれば、陽極４´が設けられる陽極側４Ａと陰極５´が設けられる陰極側５Ａとが陽イオン交換膜６で仕切られ、陽極側４Ａにおいて一次電解したアノード液を電解酸化する二次電解槽２を備える過塩素酸アンモニウム製造装置Ａであって、陽極４´は、所定のメッシュ目のサイズを有する第１網状電極と該所定のメッシュ目のサイズよりも大きなメッシュ目のサイズを有する第２網状電極とを積層した多層電極からなり、第１網状電極が陽イオン交換膜６に接する向きで、陽イオン交換膜６が陽極４´と陰極５´との間において挟み込まれている二次電解槽２を備えるという構成を採用することによって、陽極側４Ａにおける反応効率を高めて、消費電力を低く抑えることができる。
【００４０】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４１】
例えば、上記実施形態では、２つの網状電極を積層した多層電極で、陽極及び陰極を構成する形態を例示して説明したが、２つ以上の網状電極を積層した多層電極（例えば３層、４層電極）で、陽極及び陰極を構成する形態であっても良い。この場合は、反応効率を高めるため、メッシュ目のサイズが最も小さくなる第１層目を、陽イオン交換膜に向けて配置する。
【００４２】
また、例えば、上記実施形態では、電解槽の陽極側において電解酸化する原料として、塩化ナトリウム水溶液を用いて電解酸化する形態を例示して説明したが、次亜塩素酸ナトリウム水溶液あるいは塩素酸ナトリウム水溶液を用いて電解酸化する形態であっても良い。なお、塩素酸ナトリウム水溶液を上記電解酸化する場合には、陽極の触媒層が白金を含むことが反応効率の観点から必須なので、触媒層を酸化イリジウム及び酸化ルテニウムとした陽極は、塩化ナトリウム水溶液あるいは次亜塩素酸ナトリウム水溶液を上記電解酸化する場合に用いることが好ましい。
【００４３】
また、本発明は、上述した過塩素酸アンモニウムの製造装置への適用に限定されるものではなく、過塩素酸リチウムや過塩素酸カリウム等のアルカリ金属過塩素酸塩の製造装置、過塩素酸カルシウム等のアルカリ土類金属過塩素酸塩の製造装置、また、過塩素酸銀の製造装置等にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
Ａ…過塩素酸アンモニウム製造装置（過塩素酸塩の製造装置）、１…一次電解槽、２…二次電解槽、３…反応・蒸発槽、４…陽極、４´…陽極、４Ａ…陽極側、５…陰極、５´…陰極、５Ａ…陰極側、６…陽イオン交換膜、７…電極支持体、８…電極支持体、４１ａ…第１網状電極（第１層目）、４１ｂ…第２網状電極、５１ａ…第１網状電極、５１ｂ…第２網状電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極が設けられる陽極側と陰極が設けられる陰極側とが陽イオン交換膜で仕切られ、前記陽極側において塩化ナトリウム水溶液あるいは次亜塩素酸ナトリウム水溶液あるいは塩素酸ナトリウム水溶液を電解酸化する電解槽を備える過塩素酸塩の製造装置であって、
前記陽極は、第１層目に向かうに従ってメッシュ目のサイズが小さくなる順に、複数の網状電極を積層した多層電極からなり、
前記第１層目側が前記陽イオン交換膜に接する向きで、前記陽イオン交換膜が、前記陽極と前記陰極との間において挟み込まれている前記電解槽を備えることを特徴とする過塩素酸塩の製造装置。
【請求項２】
前記陽極は、白金からなる触媒層を基体表面に被覆した前記多層電極からなることを特徴とする請求項１に記載の過塩素酸塩の製造装置。
【請求項３】
前記陽極は、酸化イリジウム及び白金からなる触媒層を基体表面に被覆した前記多層電極からなることを特徴とする請求項１に記載の過塩素酸塩の製造装置。
【請求項４】
前記陽極は、酸化イリジウム及び酸化ルテニウム及び白金からなる触媒層を基体表面に被覆した前記多層電極からなることを特徴とする請求項１に記載の過塩素酸塩の製造装置。
【請求項５】
前記陽極は、酸化タンタル及び白金からなる触媒層を基体表面に被覆した前記多層電極からなることを特徴とする請求項１に記載の過塩素酸塩の製造装置。
【請求項６】
塩化ナトリウム水溶液あるいは次亜塩素酸ナトリウム水溶液を前記電解酸化する場合、
前記陽極は、酸化イリジウム及び酸化ルテニウムからなる触媒層を基体表面に被覆した前記多層電極からなることを特徴とする請求項１に記載の過塩素酸塩の製造装置。
【請求項１】
陽極が設けられる陽極側と陰極が設けられる陰極側とが陽イオン交換膜で仕切られ、前記陽極側において塩化ナトリウム水溶液あるいは次亜塩素酸ナトリウム水溶液あるいは塩素酸ナトリウム水溶液を電解酸化する電解槽を備える過塩素酸塩の製造装置であって、
前記陽極は、第１層目に向かうに従ってメッシュ目のサイズが小さくなる順に、複数の網状電極を積層した多層電極からなり、
前記第１層目側が前記陽イオン交換膜に接する向きで、前記陽イオン交換膜が、前記陽極と前記陰極との間において挟み込まれている前記電解槽を備えることを特徴とする過塩素酸塩の製造装置。
【請求項２】
前記陽極は、白金からなる触媒層を基体表面に被覆した前記多層電極からなることを特徴とする請求項１に記載の過塩素酸塩の製造装置。
【請求項３】
前記陽極は、酸化イリジウム及び白金からなる触媒層を基体表面に被覆した前記多層電極からなることを特徴とする請求項１に記載の過塩素酸塩の製造装置。
【請求項４】
前記陽極は、酸化イリジウム及び酸化ルテニウム及び白金からなる触媒層を基体表面に被覆した前記多層電極からなることを特徴とする請求項１に記載の過塩素酸塩の製造装置。
【請求項５】
前記陽極は、酸化タンタル及び白金からなる触媒層を基体表面に被覆した前記多層電極からなることを特徴とする請求項１に記載の過塩素酸塩の製造装置。
【請求項６】
塩化ナトリウム水溶液あるいは次亜塩素酸ナトリウム水溶液を前記電解酸化する場合、
前記陽極は、酸化イリジウム及び酸化ルテニウムからなる触媒層を基体表面に被覆した前記多層電極からなることを特徴とする請求項１に記載の過塩素酸塩の製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２５６４３１（Ｐ２０１１−２５６４３１Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３１９１５（Ｐ２０１０−１３１９１５）
【出願日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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