CN102031534A - 一种氧阴极制碱离子膜电解槽装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氧阴极制碱离子膜电解槽装置，主要包括离子膜电解槽的阳极和离子膜电解槽的阴极，在所述离子膜电解槽的阴极一侧设有阴极气室和阴极液室，所述阴极气室和所述阴极液室之间设有氧阴极扩散电极(17)，所述氧阴极扩散电极(17)依次由防水层(24)，催化层(25)以及导电网(26)组成；向所述阴极气室(7)输送氧气，所述氧气通过所述氧阴极扩散电极(17)作用下与H₂O一起转变为OH^-进入所述阴极液室(2)，从而在所述阴极液室(2)生成NaOH，同时在所述离子膜电解槽的阴极没有H₂析出。本发明中的制碱装置的阴极由于存在2H₂O+1/2O₂+2e＝2OH^-化学反应，因而使得分解电压就降低1.22伏，由标准电位估算，可节电56％以上。

Description

一种氧阴极制碱离子膜电解槽装置

技术领域

本发明涉及一种制碱装置，尤其是涉及一种使用氧阴极制碱离子膜电解槽装置。

背景技术

氯碱工业通过电解食盐水生产烧碱和氯气，同时副产氢气，是在国民经济中占有重要地位的基础化工原料工业。目前国内制碱有隔膜法和离子膜法，生产成本中电耗成本约占60％，从某种意义上讲，降低电耗是提高氯碱行业经济效益的决定性因素。

具体来说，氯碱厂生产1吨烧碱，副产0.886吨氯气及1200多立方米的氢气，约需耗2500电度，是化学工业中的“电老虎”，每年要吃掉化工用电的20％。多年来，人们曾通过改进隔膜，改进电槽结构，将石墨阳极改造为金属阳极。采用四效蒸发工艺，以及提高生产管理水平等途径使总能耗下降了30％。但是，从根本上讲，氯碱工业巨大的耗电量是由其化学反应本身所决定的。这就告诉我们要实现氯碱工业的大幅度节能，必须改变其电化学反应，从而降低它的理论分解电压，达到节电目的。众所周知，目前氯碱生产的主要电化学反应是：

2NaCl+2H₂O＝2NaOH+H₂↑+Cl₂↑

在阳极：2Cl^--2e＝Cl₂          Φ°Cl₂/Cl^-＝1.359伏

在阴极：2H₂O+2e＝H₂↑+2OH^-    Φ°H₂O/OH^-＝-0.828伏

所以，其理论分解电压：E°＝Φ°阳-Φ°阴

E°＝1.359伏-(-0.828伏)＝2.187伏

如果将电极过程的总反应改变为：

2NaCl+H₂O+1/2O₂＝2NaOH+Cl₂↑

在阳极：2Cl^--2e＝Cl₂↑             Φ°Cl₂/Cl^-＝1.359伏

在阴极：2H₂O+1/2O₂+2e＝2OH^-        Φ°H₂O/OH^-＝0.391伏

所以，其理论分解电压：V＝Φ°阳-Φ°阴

V＝1.359伏-0.391伏＝0.968伏

从上述二种电极过程看出，它们的阳极过程没有变，阴极由原来的水在电能作用下分解为氢气和氢氧根，改变为水与空气中的氧作用生成氢氧根，使其不再产生氢气。显而易见，改造后的电极过程，仅由理论分解电压一项就降低了1.22伏。由标准电位估算，可节电56％。

但是，现有技术中还没有出现很好的将上述理论直接运用于实际生产的氧阴极制碱电解槽装置。

发明内容

本发明设计了一种氧阴极制碱离子膜电解槽装置，其解决的技术问题是：(1)国内制碱有隔膜法和离子膜法耗费电源过大，不符合当前低碳环保的要求；(2)氧阴极制碱电解槽装置的氧阴极特殊的复合结构导致其在安装时不能焊接，密封难度大的问题。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种氧阴极制碱离子膜电解槽装置，主要包括离子膜电解槽的阳极和离子膜电解槽的阴极，在所述离子膜电解槽的阴极一侧设有阴极气室(7)和阴极液室(2)，所述阴极气室和所述阴极液室之间设有氧阴极扩散电极(17)，所述氧阴极扩散电极(17)依次由防水层(24)，催化层(25)以及导电网(26)组成；向所述阴极气室(7)输送氧气，所述氧气通过所述氧阴极扩散电极(17)作用下与H₂O一起转变为OH^-进入所述阴极液室(2)，从而在所述阴极液室(2)生成NaOH，同时在所述离子膜电解槽的阴极没有H₂析出。

进一步，所述阴极液室(2)主要通过氧阴极扩散电极(17)和离子膜(8)构成，所述氧阴极扩散电极(17)和离子膜(8)两端分别通过设置垫片进行密封连接。

进一步，所述垫片包括薄垫片(5)和厚垫片(6)；所述薄垫片(5)和所述厚垫片(6)上都设置有供阴极液进入的通孔；在所述厚垫片(6)上设有台阶，所述薄垫片(5)位于所述台阶中；所述氧阴极扩散电极(17)的两端分别设置于所述薄垫片(5)和所述厚垫片(6)之间。

进一步，下边框(1)上设有阴极液入口(20)以及上边框(3)上设有阴极液出口(23)，阴极液通过所述阴极液入口(20)、所述阴极液出口(23)以及所述薄垫片(5)和厚垫片(6)的组合件进出所述阴极液室(2)。

进一步，所述下边框(1)中设有供阴极液进入的方管；所述上边框(3)中设有供阴极液流出的方管。

进一步，所述氧阴极扩散电极(17)通过粘接剂固定在所述上边框(3)和所述下边框(1)上，并依靠整体挤压力，形成密封的所述阴极气室(7)。

进一步，所述阴极气室(7)上设有进气管(55)和排气口(52)；氧气从所述进气管(55)进入所述阴极气室(7)，经过反应消耗掉部分氧气，剩余气体从所述排气口(52)排出。

该氧阴极制碱离子膜电解槽装置与传统制碱装置相比，具有以下有益效果：

(1)本发明中的制碱装置的阴极由于存在2H₂O+1/2O₂+2e＝2OH^-化学反应，因而使得分解电压就降低1.22伏，由标准电位估算，可节电56％以上。

(2)本发明由于将氧阴极扩散电极和离子膜两端分别通过设置垫片进行密封连接，克服了氧阴极特殊复合结构在安装时不能焊接的缺陷，可以直接依靠简单的接触密封方式进行密封。

附图说明

图1是本发明氧阴极制碱离子膜电解槽装置的结构示意图；

图2是本发明中氧阴极扩散电极的结构剖面图；

图3是本发明氧阴极制碱离子膜电解槽装置的侧面剖视图；

图4是本发明氧阴极制碱离子膜电解槽装置的俯视剖视图；

图5是本发明氧阴极制碱离子膜电解槽装置的阴极液循环系统示意图。

附图标记说明：

1-下边框；17-氧阴极扩散电极；2-阴极液室；20-阴极液入口；23-阴极液出口；24-防水层；25-催化层；26-导电网；3-上边框；4-左边框；5-薄垫片；52-排气口；55-进气管；6-厚垫片；7-阴极气室；8-离子膜。

具体实施方式

下面结合图1至图5，对本发明做进一步说明：

一种氧阴极制碱离子膜电解槽装置，主要包括离子膜电解槽的阳极和离子膜电解槽的阴极，在离子膜电解槽的阴极一侧设有阴极气室7和阴极液室2，阴极气室和阴极液室之间设有氧阴极扩散电极17；向阴极气室7输送氧气，氧气通过氧阴极扩散电极17作用下与H₂O一起转变为OH^-进入所述阴极液室2，从而在阴极液室2生成NaOH，同时在所述离子膜电解槽的阴极没有H₂析出。因而使得分解电压就降低1.22伏，由标准电位估算，可节电56％以上。

如图1所示，下边框1上设有阴极液入口22以及上边框3上设有阴极液出口23，阴极液通过阴极液入口22、所述阴极液出口23以及薄垫片5和厚垫片6的组合件进出阴极液室2。下边框1中设有供阴极液进入的方管；上边框3中设有供阴极液流出的方管。阴极气室7上设有进气管55和排气口52；氧气从进气管55进入阴极气室7，经过反应消耗掉部分氧气，剩余气体从排气口52排出。

如图2所示，阴极气室7和阴极液室2之间的氧阴极扩散电极17依次由防水层24，催化层25以及导电网26组成。

如图3和图4所示，阴极液室2主要通过氧阴极扩散电极17和离子膜8构成，氧阴极扩散电极17和离子膜8两端分别通过设置垫片进行密封连接。具体来说，垫片包括薄垫片5和厚垫片6；薄垫片5和厚垫片6上都设置有供阴极液进入的通孔；在厚垫片6上设有台阶，薄垫片5位于台阶中；氧阴极扩散电极17的两端分别设置于薄垫片5和所述厚垫片6之间。

如图5所示，氧阴极扩散电极17通过粘接剂固定在上边框3和下边框1上，并依靠整体挤压力，形成密封的所述阴极气室7。

该氧阴极制碱离子膜电解槽装置工作原理如下：该反应包括气液两条线路：

1、氧气从进气管55进入阴极气室7，经过反应消耗掉部分氧气，剩余气体从排气口52排除；

2、氢氧化钠溶液从阴极液入口20流经下边框1中的方管，再通过薄垫片5和厚垫片6上的通孔进入密闭的阴极液室2，经过电化学反应后，高浓度的氢氧化钠溶液流入上边框3中的方管，并从阴极液出口23流出电解槽进入下一系统。

3、氧气通过氧阴极扩散电极作用下与H₂O一起转变为OH^-进入阴极液室，从而在阴极液室生成NaOH溶液，同时在离子膜电解槽的阴极没有H₂析出。

该电极过程的总反应改变为：

2NaCl+H₂O+1/2O₂＝2NaOH+Cl₂↑

在阳极：2Cl^--2e＝Cl₂↑         Φ°Cl₂/Cl^-＝1.359伏

在阴极：2H₂O+1/2O₂+2e＝2OH^-    Φ°H₂O/OH^-＝0.391伏

所以，其理论分解电压：V＝Φ°阳-Φ°阴

V＝1.359伏-0.391伏＝0.968伏

因此，仅由理论分解电压一项就降低了1.22伏。由标准电位估算，可节电56％。

该氧阴极制碱离子膜电解槽装置与传统制碱装置相比，具有以下有益效果：

(1)本发明中的制碱装置的阴极由于存在2H₂O+1/2O₂+2e＝2OH^-化学反应，因而使得分解电压就降低1.22伏，由标准电位估算，可节电56％以上。

(2)本发明由于将氧阴极扩散电极和离子膜两端分别通过设置垫片进行密封连接，克服了氧阴极特殊复合结构在安装时不能焊接的缺陷，可以直接依靠简单的接触密封方式进行密封。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种氧阴极制碱离子膜电解槽装置，主要包括离子膜电解槽的阳极和离子膜电解槽的阴极，其特征在于：在所述离子膜电解槽的阴极一侧设有阴极气室(7)和阴极液室(2)，所述阴极气室和所述阴极液室之间设有氧阴极扩散电极(17)，所述氧阴极扩散电极(17)依次由防水层(24)，催化层(25)以及导电网(26)组成；向所述阴极气室(7)输送氧气，所述氧气通过所述氧阴极扩散电极(17)作用下与H₂O一起转变为OH^-进入所述阴极液室(2)，从而在所述阴极液室(2)生成NaOH，同时在所述离子膜电解槽的阴极没有H₂析出。

2.根据权利要求1所述氧阴极制碱离子膜电解槽装置，其特征在于：所述阴极液室(2)主要通过氧阴极扩散电极(17)和离子膜(8)构成，所述氧阴极扩散电极(17)和离子膜(8)两端分别通过设置垫片进行密封连接。

3.根据权利要求2所述氧阴极制碱离子膜电解槽装置，其特征在于：所述垫片包括薄垫片(5)和厚垫片(6)；所述薄垫片(5)和所述厚垫片(6)上都设置有供阴极液进入的通孔；在所述厚垫片(6)上设有台阶，所述薄垫片(5)位于所述台阶中；所述氧阴极扩散电极(17)的两端分别设置于所述薄垫片(5)和所述厚垫片(6)之间。

4.根据权利要求3所述氧阴极制碱离子膜电解槽装置，其特征在于：下边框(1)上设有阴极液入口(20)以及上边框(3)上设有阴极液出口(23)，阴极液通过所述阴极液入口(20)、所述阴极液出口(23)以及所述薄垫片(5)和厚垫片(6)的组合件进出所述阴极液室(2)。

5.根据权利要求4所述氧阴极制碱离子膜电解槽装置，其特征在于：所述下边框(1)中设有供阴极液进入的方管；所述上边框(3)中设有供阴极液流出的方管。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述氧阴极制碱离子膜电解槽装置，其特征在于：所述氧阴极扩散电极(17)通过粘接剂固定在所述上边框(3)和所述下边框(1)上，并依靠整体挤压力，形成密封的所述阴极气室(7)。

7.根据权利要求1至6中任何一项所述氧阴极制碱离子膜电解槽装置，其特征在于：所述阴极气室(7)上设有进气管(55)和排气口(52)；氧气从所述进气管(55)进入所述阴极气室(7)，经过反应消耗掉部分氧气，剩余气体从所述排气口(52)排出。

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