(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直ケーシングパネル（８）と垂直フレーム（９）とを具備し、これらの垂直ケーシングパネルと垂直フレームがその間にキャビティを画成し、このキャビティが電極を格納しまた電解質用の導入ダクト（２６）および排出ダクト（２４）と連通するように構成された電気透析装置用端部ケーシングにおいて、電極が多孔垂直金属極板（１２）から成り、この多孔垂直金属極板（１２）が前記キャビティ中において、垂直ケーシングパネル（８）と多孔垂直金属極板（１２）と垂直フレーム（９）との間にチャンバ（２１）を形成するように垂直ケーシングパネル（８）に対向しかつこの垂直ケーシングパネル（８）から後退して配置されたものであること、前記チャンバ（２１）が垂直仕切材（２９）によって垂直チャンネル（２７、２８）に分割されていること、また前記ダクト（２４、２６）が前記チャンバ（２１）の中に開いていること、を特徴とする、電気透析装置用端部ケーシング。
【請求項２】
垂直仕切材（２９）が、金属から成ると共に、一方において多孔垂直金属極板（１２）に固着され、他方において、ケーシングの垂直ケーシングパネル（８）を貫通する給電導体に固着されていることを特徴とする、請求項１に記載のケーシング。
【請求項３】
前記垂直仕切材（２９）が、一方において多孔垂直金属極板（１２）に固着されると共に、他方において少なくとも１つの水平ビーム（１５）に固着され、この水平ビーム（１５）が垂直仕切材（２９）に対して横方向に固着されまた垂直ケーシングパネル（８）中の対応の格納凹部の中に嵌着されたものであることを特徴とする、請求項１に記載のケーシング。
【請求項４】
垂直仕切材（２９）とビーム（１５）が金属から成ること、ビーム（１５）が垂直ケーシングパネル（８）を貫通し給電導体として使用される少なくとも１つの金属バー（１７）に固着されていることを特徴とする、請求項３に記載のケーシング。
【請求項５】
前記垂直仕切材（２９）の少なくともいくつかはＵ形またはＶ形部材（１３）の側面フランジ（２９）から成り、これらの部材（１３）がその中央部分（１４）にそって多孔垂直金属極板（１２）に固着されたものであることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のケーシング。
【請求項６】
交互に配置された選択的イオン透過性垂直膜（１、１’）と垂直セパレータ（２）とを２つの端部ケーシング（３、３’）の間に具備する電気透析装置において、端部ケーシング（３、３’）が請求項１乃至５のいずれかに記載のケーシングであることを特徴とする、電気透析装置。
【請求項７】
各ケーシング（３、３’）の多孔垂直金属極板（１２）上に配置された選択的イオン透過性膜（２５、２５’）を具備することを特徴とする、請求項６に記載の電気透析装置。
【請求項８】
各ケーシング（３、３’）の極板（１２）上に配置された選択的イオン透過性膜（２５、２５’）が選択的カチオン透過性膜であることを特徴とする、請求項７に記載の電気透析装置。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれかに記載の電気透析装置を利用した塩化ナトリウム水溶液の電気透析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電気透析装置に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、電気透析装置の端部に配置されるケーシングに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気透析装置は、選択的イオン透過性膜とフレームの重積体を電極を含む両端のケーシングの間に具備する電気化学的装置である。一般に端部ケーシングは電極を支承する垂直パネルを含み、この垂直パネルがその外周フレームと共に、電解質を収容するキャビティを形成する。電気透析装置の概略説明は、Techniquesde l'ingenieur (Engineering techniques) 3-1988, page J 2840-13, Fig.18に記載されている。電気透析装置の作動中に、電極がＤＣ電源の端子に接続され、電解質が膜とフレームとによって画成される区画の中にまた端部ケーシングの中に導入されて、電解質の中で電気化学反応を生じる。端部ケーシングの中で生じる電気化学反応により、一般に、電極上にガス、例えば水性電解質の場合は酸素と水素、が発生する。これらのガスの規則的排出を保証することが重要であり、これは、通常、端部ケーシングと脱ガスチャンバとの間において電解質をループ状に循環させることによって実施される（ＥＰ−Ａ−０，０８１，０９２、８頁、１１乃至１６行）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電気透析装置の端部ケーシング中にガスが形成されるとケーシングの内部に圧力が生じる結果となり、この圧力は、他の条件が同一として、電気透析装置中の電流密度が増大するに従って増大する。従って、これは工業用電気透析装置の生産性を制限する。
【０００４】
従って、本発明の目的は、電気透析装置中の電流密度を高くすることができるがその結果として過度の圧力を生じることのない端部ケーシングを提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、垂直ケーシングパネルと垂直フレームとを具備し、これらの垂直ケーシングパネルと垂直フレームがその間にキャビティを画成し、このキャビティが電極を格納しまた電解質用の導入ダクトおよび排出ダクトと連通するように構成された電気透析装置用端部ケーシングにおいて、本発明によれば、このケーシングは下記の特徴を有する。すなわち、電極は多孔垂直金属極板から成り、この多孔垂直金属極板はキャビティの中において、垂直ケーシングパネルと多孔垂直金属極板と垂直フレームとの間にチャンバを成すようにパネルに対向しかつパネルから後退して配置されたものであること、前記チャンバは垂直仕切材によって垂直チャンネルに分割されていること、また前記ダクトは前記チャンバの中に開いていること、である。
【０００６】
本発明によるケーシングにおいて、垂直ケーシングパネルは垂直に配置されて電気透析装置の端部プレートとして役立つべく意図されている。
【０００７】
垂直ケーシングパネルおよび垂直フレームは、電気透析装置の作動中の化学的および電気化学的環境に耐える素材で構成されるべきである。垂直フレームは、パネルの一体部分を成しまたは別個の部品とすることができる。垂直フレームが垂直ケーシングパネルとは別個の部品である場合、垂直ケーシングパネルと垂直フレームとの継目は電解質およびガスに対して漏れ耐性でなければならない。また、好ましくは、垂直ケーシングフレームと垂直パネルは導電性でない材料で構成される。
【０００８】
多孔垂直金属極板は、複数の開口を有する金属シート、すかし細工板、金属格子またはエキスパンデッド・メタルとすることができる。エキスパンデッド・メタルシートが有利に使用される。
【０００９】
多孔垂直金属極板は、ケーシングの前記キャビティの内部に、垂直ケーシングパネルに対して平行にかつ垂直ケーシングパネルから後退して配置される。このようにして、垂直ケーシングパネルと多孔垂直金属極板との間にチャンバが形成される。このチャンバは、ケーシングの垂直ケーシングパネルを多孔垂直金属極板に接合する垂直仕切材によって複数の垂直チャンネルないし流路に分割される。チャンバの中に少なくとも３つの垂直チャンネルを成すように、少なくとも２つの垂直仕切材が使用される。実際上、チャンバはこれより多数の垂直チャンネルに分割される。垂直仕切材はチャンバの高さの一部のみに延在するので、チャンバの上部と下部は仕切られない。本発明によれば、チャンバの下方区域と上方区域はチャンバの高さ全体の１／３未満、好ましくは５乃至２０％、を占める。チャンバの前記の区域の中にそれぞれ電解質導入ダクトと排出ダクトとが開く。従ってこのチャンバは、ケーシングが電気透析装置として使用される場合には電解室として使用されるべく意図されている。チャンバの厚さと垂直チャンネルの幅は、電気透析装置の正常動作に際して最適の流体力学条件を生じるように選定されるべきである。従って、これらのサイズの値は、種々のパラメータ、特に前記チャンバ内を循環する電解質の粘度および多孔垂直金属極板のサイズ、に依存する。これらのサイズは、それぞれの場合に容易に決定することができる。実際上、チャンバの厚さは望ましくは１ｍｍより大、好ましくは少なくとも５ｍｍに等しい。使用される電解質の量はチャンバの厚さを条件としているので、そのためチャンバの厚さは１００ｍｍを超えないこと、好ましくは５０ｍｍを超えないこと、が推奨される。一般に１０乃至３０ｍｍの厚さが適当である。
【００１０】
極板がすかし細工板の場合、極板にそってチャンバの外部を流れる上昇液体流が水平方向に配置されたスラットによって偏向されて極板のスラットの間の開口部を通過してチャンバの中に入るように設計されなければならない。
【００１１】
本発明によるケーシングにおいては、その垂直フレームおよび多孔垂直金属極板は円形または多角形輪郭とすることができるが、長方形輪郭とすることが好ましい。
【００１２】
また、本発明によるケーシングの場合、垂直仕切材は金属製でも、導電性でない材料から成ることもできる。垂直仕切材が導電性材料から成る場合、その材料を多孔垂直金属極板の材料より高い過電位を有する材料から選定することが好ましい。本発明の後者の実施態様においては、考慮されるべき過電位とは、電気透析装置のケーシングを正常に使用する際に多孔垂直金属極板上にガスを発生する電解反応に関連した過電位である。
【００１３】
本発明によるケーシングにおいて、細分された電解チャンバを使用すると、電解質流の均等化が改善され、また多孔垂直金属極板上に発生したガスの排出が容易になるという利点がある。
【００１４】
本発明によるケーシングの有利な実施態様においては、垂直パネルから最も離れた多孔垂直金属電極面は実質的にフレームと面一となる。この実施態様においては、多孔垂直金属極板は、ケーシングを電気透析装置の中に搭載した時に膜の支持体として働くよう意図されている。
【００１５】
本発明によるケーシングの他の実施態様においては、前記垂直仕切材は極板上の電解電流のディストリビュータとして働く。この目的のため、垂直仕切材は金属から成り、一方においては多孔垂直金属極板に固着され、他方においてはケーシングの垂直パネルを貫通する電流導体に固着される。その際、前記パネルは、電気を通さない材料で構成される。
【００１６】
多孔垂直金属電極と垂直仕切材はケーシングのチャンバの内部に任意適当な手段によって支承される。本発明の有利な実施態様によれば、この支承手段は垂直仕切材に対して横方向に固着された水平ビームを含み、この水平ビームがケーシングのパネル中の対応の凹部の中に嵌合される。本発明のこの実施態様の好ましい変更例においては、ビームは金属から成り、垂直ケーシングパネルを貫通して電源に接続された導体に固着される。
【００１７】
本発明のケーシングのさらに他の実施態様においては、前記の垂直仕切材の少なくともいくつかは、中央部分にそって多孔垂直金属極板に固着されたＵ形またはＶ形部材の側面フランジから成る。従って、本発明のこのような実施態様は、前記の垂直チャンネルが交互に多孔垂直金属極板と接続しまた多孔垂直金属極板から離間するという特徴を有する。他の条件を同一としすると、この実施態様によれば、チャンバ内に電解質中のガスエマルジョンの上昇流と脱ガスされた電解質の下降流との交互配置を生じることにより、チャンバ中のガスと電解質の循環が最適化される。このようなチャンバの内部循環は多孔垂直金属電極上で発生したガスの排出に好都合であり、その結果としてケーシング内の化学的および電気化学的条件が均一化され、かつケーシング中の圧力が低下する。
【００１８】
また、本発明は、本発明による２つの端部ケーシングの間に選択的イオン透過性膜と垂直セパレータとの交互配置を具備する電気透析装置に関するものである。
【００１９】
本発明による電気透析装置において、イオン交換膜は選択的カチオン透過性膜、選択的アニオン透過性膜および／または双極性膜からなることができる。本発明による電気透析装置において、イオン交換膜とこれらの膜の間に介在させたフレームは電気透析区画を画成し、これらの区画がそれぞれ電解質の導入導溝および排出導溝に連通する。区画の数は制限がなく、一般に数１００にも達することができる。
【００２０】
本発明の具体的な実施態様においては、電気透析装置は各ケーシングの多孔垂直金属極板上に配置された選択的イオン透過性（好ましくはカチオン透過性）膜を具備する。
【００２１】
本発明による電気透析装置は電気透析技術において周知の種々の用途を有する。特に本発明による電気透析装置は、塩化ナトリウム、炭酸ナトリウム、リン酸ナトリウムまたは硫酸ナトリウムなどのナトリウム塩の水溶液から水酸化ナトリウムの水溶液を製造するために有利に使用される。
【００２２】
従って、本発明は、塩化ナトリウムの水溶液の電気透析に対する前記の本発明による電気透析装置の利用に関するものである。本発明の実施例を図面に基いて説明すれば、下記の通りである。
【００２３】
【実施例】
付図において同一参照数字は同一部品を示す。
【００２４】
図１に図示の電気透析装置は、それ自体公知のように、２つの端部ケーシング３、３’の間において垂直に垂直セパレータ２と交互に配置された選択的イオン透過性膜１、１’を具備している。選択的カチオン透過性膜２５、２５’が各端部ケーシング３、３’と垂直セパレータ２とを隔てている。
【００２５】
垂直セパレータ２の機能は、膜１、１’、２５、２５’の間に透析区画４を画成するにある。これらは、例えば、米国特許第ＵＳ−Ａ−４，２３３，１４６号および米国特許第ＵＳ−Ａ−４，７３７，２６０号各明細書に記載された型のものである。
【００２６】
膜１、１’、２５および２５’ならびに垂直セパレータ２は、その上端と下端に開口５、６を穿孔され、これらの開口は、各電気透析区画４に供給されるべき電解質を循環させる直接導溝を成す。垂直セパレータ２の中に穿孔された導溝７は、これらの導溝と電気透析区画４とを連通させる。
【００２７】
膜１、１’、２５および２５’ならびに垂直セパレータ２は、両端部ケーシング３、３’の間にコネクティング・ロッド（図示されていない）によって重積されまた圧縮されている。
【００２８】
本発明によれば、端部ケーシング３、３’は、好ましくは突出外周リムの形状を有する垂直フレーム９を有する垂直ケーシングパネル８を具備する。このとき垂直フレーム９はパネルの外周においてリム形状のフレームを形成する。この垂直フレーム９は、開口５、６の延長線上に開口１０を穿孔されている。これらの開口１０は、電気透析区画４に電解質を供給するための電解質コレクタに接続される。
【００２９】
垂直ケーシングパネル８と突出外周リムの形状を有する垂直フレーム９は、多孔垂直金属電極を格納した垂直キャビティを画成する。この多孔垂直金属電極１２は穿孔された垂直金属板を含んでなり、この金属板は垂直パネル８およびその外周の垂直フレーム９と共にチャンバ２１を画成するようにこの垂直ケーシングパネル８に対向しかつ離間して配置されている。多孔垂直金属極板１２は、有利には、フレーム９の自由面２０と同一面に在るように配置される。このようにして、多孔垂直金属極板１２は、電気透析装置中の選択的透過性膜２５（２５’）の支承体として働く。
【００３０】
多孔垂直金属極板１２はその面を垂直ケーシングパネル８に対向させて、その幅全体に均一に分布された垂直金属部材１３を支承する。これらの垂直金属部材１３は、それぞれ溝の形状を有するようにＵ形に折り畳まれた垂直ストリップから成る。これらの部材はＵ形の軸方向中心部分１４にそって多孔垂直金属極板１２に溶接され、その側面フランジ２９がパネル８に当接するので、チャンバ２１は一連の垂直チャンネル２７および２８に分割されている。多孔垂直金属極板１２とその部材１３はケーシング３、（３’）の中に水平ビーム１５によって支承され、これらのビーム１５は垂直仕切材２９に溶接されまた垂直ケーシングパネル８の対応の凹部の中に嵌合されている。ビーム１５は、垂直ケーシングパネル８の中に穿孔されたオリフィス１８に挿通された金属バー１７に対して直角に溶接される。これらの金属バー１７は、電気透析装置を作動させるためにＤＣ電源に接続されるものである。
【００３１】
部材１３は多孔垂直金属極板１２の高さの一部のみに延在するので、チャンバ２１の上方区域３０と下方区域３１は仕切られていない。
【００３２】
パネル８の中に穿孔された導溝２２、２３はそれぞれチャンバ２１の仕切られていない部分３０、３１とダクト２４、２６を通して連通する。これらの導溝２２、２３はチャンバ２１の中において電解質の循環を生じさせるべく意図されたものである。
【００３３】
図１と図２について説明した電気透析装置の動作を塩化ナトリウム水溶液の電気透析に使用する場合について説明すれば、下記の通りである。この用途において、膜１は選択的カチオン透過性膜であり、膜１’は双極膜である。後者の膜１’は、その選択的アニオン透過性面が選択的カチオン透過性膜１に向けられるように電気透析装置の中に配置されている。多孔垂直金属極板１２とＵ形部材１３は、例えばニッケルから成る。
【００３４】
電気透析装置の動作中に、ケーシング３のバー１７がＤＣ電源の正端子に接続され、ケーシング３’のバー１７がＤＣ電源の負端子に接続される。水が双極膜１’とカチオン膜１との間の区画４の中に導入され、また塩化ナトリウムの水溶液が双極膜１’とカチオン膜２５’との間の区画４およびカチオン膜１と２５との間の区画４の中に導入される。水または塩化ナトリウムの希釈水溶液が端部ケーシング３、３’の電解チャンバ２１の中に、これらのケーシングの導溝２３およびダクト２６を通して導入される。電流の作用で、チャンネル２８の中で水が多孔垂直金属極板１２上で電解されて、ケーシング３の中で酸素を形成し、ケーシング３’の中で水素を形成する。チャンネル２８中の水性エマルジョンの上昇流およびチャンネル２７中の脱ガスされた電解質の下降流からなる内部電解質循環が、ケーシング３、３’のチャンバ２１の中に生じる。チャンバ２１の上部の電解質から分離されたガスは、ダクト２４を通して導溝２２から排出される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による電気透析装置の一実施態様の垂直長手方向分解断面図。
【図２】  図１の面ＩＩ−ＩＩにそってとられた断面図。
【符号の説明】
１、１’  選択的イオン透過性垂直部材（膜）
２  垂直セパレータ
３、３’  端部ケーシング
４  透析区画
５、６  電解質導溝
８  垂直ケーシングパネル
９  垂直フレーム
１０  電解質供給開口
１２  極板
１３  垂直金属部材
１４  垂直金属部材の中心部分
１５  ビーム
１７  金属バー
２１  チャンバ
２４、２６  電解質ダクト
２５、２５’  選択的イオン透過性膜
２７、２８  垂直チャンネル
２９  垂直仕切材（部材１３の側面フランジ）
３０  チャンバ２１の上方区域
３１  チャンバ２１の下方区域
【図１】
0003672654.tif 000002
【図２】
0003672654.tif 000003