FI79145B - Bipolaer elektrolysanordning med gasdiffusionskatod. - Google Patents

Description

1 79145

Bipolaarinen elektrolyysilaite, jossa on kaasudiffuusioka-todi

Esillä olevan keksinnön kohteena on bipolaarinen 5 elektrolyysilaite kloorin valmistamiseksi vesipitoisesta alkalimetallikloridiliuoksesta, jossa laitteessa on happea kuluttava katodi ja välineet elektrolyysivirran ja elektrolyysin lähtöaineiden syöttämistä ja elektrolyysin reaktiotuotteiden poistamista varten ja jossa anodi ja katodi 10 on erotettu toisistaan väliseinän avulla.

Vesiliuoksessa tapahtuva natriumkloridielektrolyysi on tärkeä menetelmä kloorin ja natriumlipeän valmistuksessa. Uudenaikaisessa sovellutusmuodossa tämä tapahtuu kal-vokennossa. Tässä menetelmässä elektrolyysikenno muodostuu 15 anoditilasta, jossa on anodi, ja katoditilasta, jossa on katodi, sekä kationinvaihtokalvosta, joka erottaa elekt-rolyysitilat toisistaan. Kun anoditilaan johdetaan kyllästettyä natriumkloridiliuosta, alkavat kloridi-ionit muuttua anodilla sähkövirran vaikutuksesta alkuaineklooriksi. 20 Samanaikaisesti tapahtuu katodilla veden hajoamista, jolloin muodostuu alkuainevetyä ja hydroksidi-ioneja. Suunnilleen yhtä paljon kuin syntyy hydroksidi-ioneja, kulkeutuu natriumioneja anoditilasta kationinvaihdinkalvon lävitse katoditilaan. Perustana oleva kemiallinen reaktio 25 vastaa seuraavaa yhtälöä: 2 NaCl + 2 H20 -> 2 MaOH + Cl2 + H2

Elektrolyysikennon, jossa on tarkoitus elektroly-30 soida alkalimetallikloridia, kuten esim. natriumkloridia, kaliumkloridia tai litiumkloridia, anoditila on valmistettava materiaalista, joka kestää syövyttävää väliainetta, jossa on suuri kloridi-ionikonsentraatio ja joka sisältää alkuaineklooria. Tekniikan tason mukaan käytetään titaa-35 nia, iridiumia tai jalometalleja, edullisesti titaanime- 2 79145 tallia, joka on mahdollisesti aktivoitu pinnasta seosok-sidilla klooriylijännitteen pienentämiseksi ja samalla happiylijännitteen kohottamiseksi. Anodi koostuu myös titaanista, joka on mahdollisesti aktivoitu siirtymämetal-5 lioksideilla, kuten ruteniumoksidilla tai iridiumoksidilla klooriylijännitteen alentamiseksi ja samalla happiylijännitteen kohottamiseksi.

Katoditilassa ei valmistusmateriaalina voida käyttää titaania, koska syntyvä vety haurastaisi titaanimetal-10 lia. Katoditila valmistetaan sen vuoksi normaaliteräksestä, jaloteräksestä, nikkelistä tai nikkelöidystä teräksestä. Katodi koostuu myös näistä materiaaleista, mutta se voidaan lisäksi aktivoida jalometalleilla tai muilla elektrokatalysaattoreilla, kuten esim. Raney-nikkelillä 15 tai rikkipitoisella nikkelillä. Alkalikloridielektrolyy-sissä käytettäsiin sähkökemiallisiin kennoihin kuuluu lisäksi välikalvo tai kationinvaihdinkalvo, joka erottaa anodi- ja katoditilan toisistaan. On edullista käyttää kationinvaihdinkalvoja eli perfluorattuja kalvoja, joissa 20 on sulfohappo- tai karboksyylihapporyhmiä, kun halutaan saada erittäin puhdasta natriumlipeää. Kalvot ovat katio-niselektiivisiä eli ne päästävät natriumkloridielektrolyy-sissä ainoastaan natriumionit lävitseen mutta kloridi-ionit jäävät sitä vastoin anoditilaan.

25 Käytännössä valmistetaan elektrolyysikennoista, joihin kuuluu anoditila anodeineen, katoditila katodeinaan ja kationinvaihdinkalvo, suurempia elektrolyysilaitteita, jotka voivat muodostua useista yksittäisistä kennoista. Suositeltava on bipolaarinen kytkentä, koska silloin voi-30 daan käyttää suuria kennoyksiköitä.

Vaikeuksia syntyy kuitenkin virran siirtymisesssä kennolta toiselle. Koska katoditilassa ja anoditilassa, joiden takaseinien kautta virta johdetaan, on käytetty eri materiaaleja ja varsinkin koska titaani passivoituu ilma-35 atmosfäärissä, kehittyy suuria siirtymävastuksia ja näin 3 79145 ollen syntyy huomattavia jännitehäviöitä.

Tästä syystä on pyritty saamaan aikaan sähkökemiallinen kenno, joka muodostuu yksinkertaisista rakenneosista ja josta voidaan koota suuria elektrolyysilaitteita ja 5 joka takaa bipolaarisessa kytkennässä optimaalisen virran-kulun kennolta toiselle. Esillä oleva keksintö mahdollistaa tämän.

Keksintö koskee bipolaarista elektrolyysilaitetta kloorin valmistamiseksi vesipitoisesta alkalimetalliklo-10 ridiliuoksesta, jossa laitteessa on happea kuluttava katodi ja välineet elektrolyysivirran ja elektrolyysin lähtöaineiden syöttämistä ja elektrolyysin rekatiotuotteiden poistamista varten ja jossa anodi ja katodi on erotettu toisistaan väliseinän avulla. Laitteelle on tunnusomaista, 15 että kahden kuoripuoliskon, joissa on laipan muodostavat reunat, joista toinen kannattaa anodia ja toinen katodia, väliin on sovitettu ainakin yksi kaksoiskaukalon muotoinen elementti, joka muodostuu yhteisestä pohjasta ja pohjan avulla korkeussuunnassa jaetusta sivuseinästä, jonka reu-20 nat on varustettu laipoilla, jolloin anodi ja katodi, jotka on erotettu pohjan avulla eri tiloihin, on yhdistetty sähköä johtavasti seinään ja jäykisteisiin, jotka ulkonevat kohtisuorasti pohjan molemmilta puolilta, ja kuoripuo-liskojen laippojen ja elementin väliin on puristettu väli-25 seinät ja sovitettu tiivistyselementit siten, että väliseinän ja katodin väliin jää ontelo.

Eräässä sovellutusmuodossa on kuoripuoliskojen väliin sovitettu kaksi tai useampia elementtejä. Elementtien laippojen väliin on puristettu väliseinä ja sovitettu tii-30 vistyselementti siten, että väliseinän ja katodin väliin jää ontelo. Väliseinän ja katodin väliin voidaan sovittaa välike-elin ja tiivistyselementtiin voidaan muodostaa rakoja, jotka yhdistävät väliseinän ja katodin välisen ontelon katolyytin syöttö- ja poistovälineisiin. Kuoripuolis-35 kot ja elementit voidaan valmistaa titaanista. Anodiksi 4 79145 soveltuu titaani, joka on aktivoitu jaksollisen järjestelmän 8. sivuryhmän metallien oksideilla tai seosoksideilla.

Seuraavassa keksintöä selostetaan lähemmin piirustusten avulla, jotka esittävät ainoastaan yhtä sovellutus-5 muotoa.

Kuvio 1 esittää leikkausta elektrolyysilaitteesta, joka koostuu kolmesta bipolaarisesta kennosta (kaksi kuvion 2 mukaista elementtiä kuoripuoliskojen välissä).

Kuvio 2 esittää leikkausta elementistä.

10 Kuvio 3 esittää suurennettuna kohtaa "Z" kuviosta 1.

Kuoripuoliskojen 1 ja 2, joissa on laippojen 3 ja 3a muodostamat reunat ja joista yksi kannattaa anodia 4 ja toinen kaasudiffuusiokatodia 5, jollainen on esitetty 15 esim. DE-patenttihakemuksessa 3 332 566.9, väliin on sovitettu ainakin yksi elementti 6. Elementti 6 on kaksoiskau-kalon muotoinen ja se muodostuu yhteisestä pohjasta 7 ja pohjan avulla korkeussuunnassa jaetusta sivuseinästä 8. Pohja 7 voi sijaita myös epäsymmetrisesti siten, että kau-20 kalot ovat erisyvyisiä. Seinän reunat eli vapaat päädyt on varustettu laipoilla 9 ja 10. Laippa 9 tai siihen rajoittuva seinäosa kannattaa anodia 4 ja laippa 10 tai siihen rajoittuva seinäosa katodia 5. Anodin 4 ja kaukalon muodostama tila on anoditila 11 ja katodin 5 ja kaukalon 25 muodostama tila on kaasutila 12. Anoditilaan 11 ja kaasu-tilaan 12 on sovitettu jäykisteet 13, jotka ulkonevat kohtisuorasta pohjasta ja yhdistävät elektrodit 4 ja 5 sähköä johtavasti pohjaan 7. Kuoripuoliskojen 1, 2 ja elementtien 6 laippojen 3, 3a, 9, 10 väliin on sovitettu väliseinät 30 14, kuten ioninvaihdinkalvot jne. ja tiivistyselementit 15. Tiivistyselementti on lipeää kestävää materiaalia, edullisesti PTFE:tä. Tiivistyselementti 15 on mitoitettu paksuudeltaan siten, että väliseinän 14 ja katodin 5 väliin muodostuu ontelo 16, katoditila. Saattaa olla tarkoi-35 tuksenmukaista sovittaa väliseinän 14 ja katodin 5 väli- 5 79145 seen onteloon 16 välike-elin 17, joka pitää katodin etäisyyden väliseinästä vakiosuuruisena. Välike-elin on lipeää kestävää materiaalia, kuten esim. PTFE tai nikkeliä. Sopiva katoditilansyvyys on 2-3 mm, erittäin edullisesti 5 0,5-1 mm. Tiivistyselementtiin voidaan tehdä rakoja 18, jotka yhdistävät ontelon 16 katolyytin syöttö- ja poisto-välineisiin. Anolyytti tuodaan ja poistetaan johtojen 20 kautta ja kaasu (ilma,happi) johdetaan pelkistyskatodil-le johtoja 21 pitkin. Kuoripuoliskot 1, 2 ja elementit 6 10 yhdistetään sähköisesti eristävää materiaalia oleviin holkkeihin työnnettyjen ruuvien 23 avulla. Virtajohtimia on merkitty plus- ja miinusmerkeillä. Väliseinä 14 voi nojata anodiin 4.

Claims (6)

6 79145

1. Bipolaarinen elektrolyysilaite kloorin valmistamiseksi vesipitoisesta alkalimetallikloridiliuoksesta, jossa 5 laitteessa on happea kuluttava katodi ja välineet elektro-lyysivirran ja elektrolyysin lähtöaineiden syöttämistä ja elektrolyysin reaktiotuotteiden poistamista varten ja jossa anodi ja katodi on erotettu toisistaan väliseinän avulla, tunnettu siitä, että kahden kuoripuoliskon (1,2), 10 joissa on laipan (3,3a) muodostavat reunat, joista toinen kannattaa anodia (4) ja toinen katodia (5), väliin on sovitettu ainakin yksi kaksoiskaukalon muotoinen elementti (6), joka muodostuu yhteisestä pohjasta (7) ja pohjan avulla korkeussuunnassa jaetusta sivuseinästä (8), jonka reunat 15 on varustettu laipoilla (9,10), jolloin anodi (4) ja katodi (5), jotka on erotettu pohjan (7) avulla eri tiloihin, on yhdistetty sähköä johtavasti seinään (8) ja jäykisteisiin (13), jotka ulkonevat kohtisuorasti pohjan molemmilta puolilta, ja kuoripuoliskojen (1,2) laippojen (3,3a,9,10) ja 20 elementin (6) väliin on puristettu väliseinät (14) ja sovitettu tiivistyselementit (15) siten, että väliseinän (14) ja katodin (5) väliin jää ontelo (16).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysilaite, tunnettu siitä, että kuoripuoliskojen (1,2) väliin 25 on sovitettu kaksi elementtiä (6) ja elementtien (6) laippojen (10,11) väliin on puristettu väliseinä (14) ja sovitettu tiivistyselementti (15) siten, että väliseinän (14) ja katodin (5) väliin jää ontelo (16).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen elektrolyysi-30 laite, tunnettu siitä, että väliseinän (14) ja katodin (5) väliin on sovitettu välike-elin (17) ja tiivistys-elementtiin (15) on muodostettu rakoja (18), jotka yhdistävät väliseinän (14) ja katodin (5) välisen ontelon (16) ka-tolyytin syöttö- ja poistovälineisiin (19).

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen elektro lyysilaite, tunnettu siitä, että kuoripuoliskot (1, 2) ja elementit (6) on valmistettu titaanista. 7 79145

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen elektro-lyysilaite, tunnettu siitä, että anodina (4) käytetään titaanianodia, joka on aktivoitu jaksollisen järjestelmän 8. sivuryhmän metallien oksidilla tai seosoksidilla.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen elektro- lyysilaite, tunnettu siitä, että katodina (5) käytetään kaasudiffuusiokatodia, joka muodostuu nikkelikudos-ta olevasta virtakollektorista, joka nikkelikudos on päällystetty huokoisella, kolloidisella hopeakatalysaattorilla, 10 joka on saostettu polytetrafluoretyleenin päälle, ja jonka pitkällä sivulla on hydrofiilinen peitekerros. 8 79145