CN101688319B - 用于电解槽的阴极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于隔膜氯碱电解槽的阴极，其由传导性的有孔表面限定，并具有容纳两个并置的部件的内部体积，目的在于改进流体和电流分布。

Description

用于电解槽的阴极

技术领域

本发明涉及用于电解槽的阴极，尤其适用于隔膜氯碱电解槽。

背景技术

通过电解碱金属氯化物溶液(尤其是氯化钠盐水)生产氯，到目前为止仍然是相关工业最重要的电化学方法。众所周知，不同类型的电解槽被用作这一目的，其中一种类型提供使用由半透多孔隔膜组成的隔离件，该隔离件现在是由亲和了无机添加剂的聚合物材料制成。

隔膜氯碱电解槽的功能描述在乌尔曼的化学工艺学百科全书(5°Ed.，卷A6，424页-437页，VCH)中给出，而电解槽内部结构的实施例在US5066378的附图中进行了详细说明。

现有技术的隔膜电解槽通常包括几排夹层的阴极和阳极，阴极由设置了孔的传导性表面限定，例如网状物或冲孔的片材，形状做成扁平的长方形棱柱(相对于所谓的“阴极指状物”几何形状)并焊接于周围的室，在这里设置了用于供给和排出工艺流体的连接件。隔膜通过真空过滤其成分的水悬浮液沉淀在阴极的传导性表面上。夹层在阴极指状物的阳极可能与阴极指状物接触或隔开几毫米；但是，必要的是防止指状物受到弯曲以免由于磨擦而损伤隔膜。此外，在工作期间，电流必须尽可能均匀地传导至整个阴极表面：不均匀分布实际上会导致电解槽电压增加并导致苛性钠生产效率降低，同时增加了氯中的氧含量。其满足了给予阴极足够刚性和电导率的要求。

这个问题通过给阴极配备纵向波纹碳素钢或铜质内板得以解决，例如在US 4138295和WO 00/06798中：外部传导性表面被固定于(优选焊接)波纹板的顶点，解决了电流的均匀分布和刚性问题；然而，纵向皱折被证明对氢气泡的自由运动造成了妨碍，氢气泡不能竖直上升并最终导致沿着指状物的上母线堆积，随后通过相关的出口离开周围的室。纵向波纹板收集在每个皱折下的氢气并使氢气沿着皱折纵向流动直到通过周围的室上的适当的口排出：由于这种流动难于平衡，使得处于每个皱折下的氢气量能变化，不同程度地封闭面对隔膜的区域，这导致电流分布不理想。US 4049495也描述了波纹内板，但是在这个情况中皱折是竖直设置的：这样氢气能够在指状物的顶部自由地收集，但是流向周围的室的氢气被皱折的顶部阻碍。而且竖直皱折的刚性效果被证明是不能令人满意的。

更先进的解决方案在WO 2004/007803和WO 2006/120002中提出，在此完整地并入并披露了使用被插入阴极内部体积中的板，其具有不连续的突起例如隆起、盖或砖，突起设置为便于氢气产物既纵向地也竖直地自由循环，除了给予这种结构最佳的刚性外，同时得到了具有良好地分布的电阻路径的电连接。

然而在刚刚引用的两个文献中提出的解决方案在下面两个方面仍不能令人满意：

-第一方面，对于处于最常见的加工电流密度(2.5至3kA/m²)的大尺寸的阴极优选使用由高传导性材料(例如铜)制成的内板，以便相当大程度地提高电流分布。另一方面，使这种结构具有充分的刚性的需要要求铜板有这样高的厚度以至于成本方面不理想。因此，优选用更好的力学特性材料和/或较低的成本制造内板，例如碳钢或各种铁或镍基材料。但是铁或镍的电传导率对于大尺寸电解槽来说不是最佳的。

-第二方面，在引用的文献中提出的内板的几何形状保证了氢气的良好循环，但是在阴极内没有充分地混合电解液。阴极内部体积实际上被加工电解液和苛性产品组成的液体混合物部分地填满，液体混合物的水平面通常超出了阴极高度的一半。在这种相当浓的情况下，易于形成浓度和温度梯度，仅仅通过自然对流部分地抵消，并且容易降低电流效率，增加能量消耗和氯产品中的氧含量。

因此，希望采用克服现有技术的缺陷(尤其在电流分布和混合内部体积内的电解液方面)的用于电解槽的阴极。

另一方面，希望采用克服现有技术的缺陷(在能量消耗或氯产品的质量方面)的隔膜电解槽。

发明内容

本发明的各个方面在附属权利要求中阐明。

在一个实施例中，阴极具有扁平长方形并具有用有孔的传导性表面(阴极的表面)限定的内部体积，传导性表面的主面涂覆有化学惰性多孔隔膜；内部体积包含至少两个部件，即上部件和下部件，便于电流和流体分布，每个部件都包括由第一传导材料制成的板，例如碳钢，在两个面上设置有多个不连续的突起或隆起，与阴极表面的两个主面电接触，并且由第二传导材料制成的底脚，例如铜，只固定于阴极表面的一个面。两个部件组装起来以便使上部件的底脚设置在底部并固定于阴极表面的一个面，而下部件的底脚设置在顶部并固定于阴极表面的相对面，这样设置以便至少部分地面对上部件的底脚。在一个实施例中，下部件的底脚还设置有许多允许流体通过的槽状突起。在一个实施例中，上部件的底脚也设置有槽状突起。这可以提供根据相同设计制造的两个部件的优点，其简化了结构。在一个实施例中，底脚的纵向边缘具有钝角形状；这个特征能够改善流体的通过，对加工电解液提供牵引。在一个实施例中，三个或更多个分配部件可以同样设置，例如中间的部件设置有一个下部底脚和一个上部底脚，按照相同的基本原理。

在一个实施例中，包括分配部件的两个部分，即板和底脚，借助于穿过在两部分上的匹配孔的焊接彼此固定。该特征通过将一种材料挤入另一种材料(例如铜进入钢)能够便于进行焊接，尤其当必须实现铜底脚与钢板的麻烦连接时。为了这一目的设置的孔还可以用作用于在阴极内再循环电解液的额外的部件。

板的不连续突起，在下面称作隆起，允许氢气自由循环，例如根据WO 2004/007803的教导：其形状没有其他限制，并且可以设计成例如球形的、椭圆的、椎体的、棱柱的或圆柱的盖状物，并通过用模具的板的变形或通过焊接或其他将不连续部件固定于板方式而获得。隆起还可以包括拉长的主要的凸起，其短边开放于流体通道而其表面配备了一系列次要的突起，如WO 2006/120002中所披露的。

所述的分配部件将钢板的机械特性和铜底脚的电特性结合；后者可以是相对减小的尺寸而且仍然能够沿阴极表面以最佳方式传送电流。部分地彼此相对的铜底脚的相互设置和开槽的突起能够通过创造多条用于降低脱气液体的路径将电解液的混合增加到令人惊讶的程度，如附图所示。

附图说明

图1示出根据一个实施例的阴极。

图2示出图1的阴极的部件，包括配备了不连续的突起的板。

图3示出图1的阴极的部件，包括与图2的板配合的底脚，适于形成根据一个实施例的分布部件。

图4示出将图2的板与图3的底脚连接的实施例。

图5示出根据一个实施例的两个分配部件的设置。

图6示出图1的阴极的横截面的细节，包括如图5设置的两个分配部件。

具体实施方式

图1示出阴极(100)的实施例，阴极(100)通过扁平的矩形形状的有孔的传导性表面(200)限定，传导性表面(200)可选地用钢或镍制成，随后在其上附着隔膜。在阴极内部体积设置了下部件(300)和上部件(301)，用于分配流体和电流。下部件(300)通过将设置有隆起的板(400)与底脚(500)连接而得到，板(400)可选地用碳钢制成，底脚(500)可选地用铜制成。同样，上部件(301)通过将设置有隆起的板(401)与底脚(501)连接而得到。在一个实施例中，为了简化结构，下部件(300)和上部件(301)这两者是相同的；在这种情况下，板(400)和(401)以及底脚(500)和(501)彼此也相同。

图2示出下部件(300)的板(400)的实施例，板(400)通过平面板材的变形获得，以便形成在相对的面上突出的一系列球面盖状隆起(410)。板(400)沿着下侧还设置有一系列孔(420)，孔(420)可用于与相关底脚(500)连接，如图1所示。

图3示出下部件(300)的底脚(500)的实施例，底脚(500)由板条获得，可选地用铜制成。一系列突起(510)穿过板条的短侧，当安装电解槽时，一系列突起(510)竖直地设置并限定了一系列用于流体(特别是脱气的电解液)通过的槽，该流体沿着槽向下流。底脚(500)还设置有一系列孔(520)，可用于与相关的板(400)连接，如图1，2所示。在一个实施例中，如图1所示，上部件(301)的底脚(501)可以相同的方式制造。

图4示出下部件(300)的细节，用图说明设置有隆起的板(400)与底脚(500)的连接。已在前面的图中示出的部件用相同的附图标号表示。能够注意到在本实施例中，板(400)的孔(420)怎样设置成排，以便准确地与底脚(500)上类似的成排的孔(520)配合：在这些孔中可采用焊接将底脚(500)固定于板(400)上，可选地，通过将底脚(500)的材料部分地挤入板(400)的相关的孔(420)中。除了通过突起(510)限定的槽，将孔(420)和孔(520)连接之后剩余的空隙可用于电解液的内循环。

图5示出根据一个实施例的两个分配部件的设置：下部件的底脚(500)设置在相应的板(400)的顶部，而上部件的底脚(501)设置在相应的板(401)的底部。此外，两个分配部件的底脚(500)和(501)平行放置并部分地彼此面对，以便形成电解液的再循环路径，这在图6中更好地证实。

图6示出阴极(100)的细节的横截面：能够注意到，在图中，板(400)和(401)接触阴极表面(200)的两个面，同时两个底脚(500)和(501)接触相对的面。在工作过程中底脚(500)和(501)两者都处于液面以下，底脚(500)和(501)的部分重叠限定了便于电解液对流运动的区域，该对流运动具有富氢的电解液的向上的分量和几乎全部脱气的电解液的向下的分量。电解液流的向上的分量超过上分配部件的底脚(501)的边缘(531)，该边缘用钝角形状在附图中示出；钝角边缘能够起到牵引电解液流动的作用，电解液沿向上的运动行进，还能利用设置在底脚(501)的表面上存在的可选的槽。电解液流的向下的分量，利用图4中示出的由突起(510)限定的槽以及连接孔(420)和(520)之后剩余的间隙，以基本容易的方式穿过阴极(100)的内部体积，如箭头所指示。

实施例

安装适于被供给有300g/l氯化钠盐水并以2.5kA/m²的电流密度工作的工业尺寸的两个隔膜氯碱电解槽。电解槽包括阴极主体，阴极主体包括由碳钢冲成的板材制成的指状物，增加了氧化锆颗粒的多孔的聚合物隔膜设置在指状物上。一个电解槽设置有内部板，内部板根据WO 2004/007803的教导设置有球面盖状隆起，而另一个电解槽设置有根据附图所示的实施例的两个分配部件；通过将设置有球面盖状隆起的碳钢板和铜底脚连接得到每块板。分配部件的两个部件有6毫米厚。

在被认为用于稳定诸如隔膜的各部件所必须的运行经过几周之后，检测到与苛性钠产品和氯产品中的氧含量相关的槽电压、感应电流效率，结果如下：

-根据WO 2004/007803的电解槽：平均电压3.3V，感应电流效率95％，氯中的氧含量2.2％

-根据本发明的电解槽：平均电压3.2V，感应电流效率97％，氯中的氧含量2.0％

先前的描述不用于限制本发明，可在不背离其范围的情况下根据不同的实施例使用，并且其范围通过所附权利要求无歧义地限定。

贯穿本申请的说明和权利要求，术语“包括(comprise)”及其变化(例如，“comprising”和”comprises”)不用于排除其他部件或添加剂。

文献、作用、材料、装置、物品等等的讨论包含在本说明书中仅仅用于为本发明提供背景的目的。这不是暗示或说明在本申请的每个权利要求的优先权日之前，这些内容中的任一个或全部构成现有技术的一部分或者是本发明相关的领域的公知常识。

Claims (10)

1.用于电解槽的阴极，该阴极具有由有孔的传导性表面限定的内部体积，该传导性表面包括适于用化学惰性多孔隔膜涂覆的两个主面，所述内部体积包括用于分配流体和电流的至少一个上分配部件和下分配部件，所述分配部件的每一个包括由第一传导材料制成的一块板和由第二传导材料制成的一个底脚，在所述板的两个面上设置与所述传导性表面的两个所述主面电接触的多个隆起，所述上分配部件的所述底脚设置在底部上并与所述传导性表面的一个主面电接触，所述下分配部件的所述底脚设置在顶部，与所述传导性表面的相对的主面电接触并设置有用来限定用于流体通道的槽的多个突起，所述上分配部件和所述下分配部件的所述底脚至少部分地彼此面对。

2.根据权利要求1所述的阴极，其中，所述上分配部件的所述底脚设置有用来限定用于流体通道的槽的多个突起。

3.根据权利要求1或2所述的阴极，其中，所述上分配部件和所述下分配部件的所述底脚的纵向边缘有钝角形状。

4.根据权利要求1所述的阴极，其中，通过与在流体通道所用的孔相对应地获得的一系列焊接，至少所述下分配部件的所述底脚固定于设置有隆起的所述板。

5.根据权利要求1所述的阴极，其中，所述第一传导性材料在铁、镍、以及二者的合金中选择，而所述第二传导性材料是铜。

6.根据权利要求1所述的阴极，其中，所述隆起是球形的、椭圆形的、圆柱形的、棱柱形的、或锥体形的盖状物。

7.根据权利要求1所述的阴极，其中，所述隆起包括主要的拉长的突起，突起的短侧向流体通道开放，而突起的表面设置有一系列次要的突起。

8.用于氯碱电解的电解槽，包括至少一个前述权利要求中任一项的阴极。

9.氯碱电解的方法，包括：供给碱金属氯化物溶液到根据权利要求8的电解槽阳极室，施加电流，并释放氢气流以及所述至少一个阴极的内部体积中产生的苛性产品和废碱金属氯化物的溶液。

10.根据权利要求9的方法，其中，所述氢气流在所述至少一个阴极的内部体积内自由向上运动，而所述苛性产品和废碱金属氯化物的溶液在所述至少一个阴极的内部体积内受到对流运动，所述对流运动在所述下分配部件的所述底脚的所述槽内具有向下的分量。

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