CN102839385B - 氧阴极离子膜电解槽及其安装密封方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种氧阴极离子膜电解槽及其安装密封方法，所述的氧阴极离子膜电解槽，其特征在于包括从上到下依次设置有机械固定装置、氧气扩散电极、弹性体垫圈、槽框；氧气扩散电极、弹性体垫圈、槽框的相邻面上都涂覆有底涂层，底涂层上涂覆有粘合剂层，所述的粘合剂层与两侧的底涂层形成粘结层；所述的机械固定装置固定在槽框上并能够对氧气扩散电极和弹性体垫圈有压紧的应力以形成与槽框紧密的密封，在氧气扩散电极、弹性体垫圈以及粘结层裸露于电解液中的部位涂覆有保护涂层。本发明的离子膜电解槽安装方便、生产效率高，能有效地固定氧气扩散电极，密封可靠，耐浓碱腐蚀能力强，可以保证在实际电解生产过程中不发生电解液渗漏。

Description

氧阴极离子膜电解槽及其安装密封方法

技术领域

本发明涉及一种氧阴极离子膜电解槽及在离子膜电解槽上装载氧气扩散电极的安装方式及密封的方法，该方法将机械密封和粘接密封相结合，应用于在离子膜电解槽框上装载氧气扩散电极的电解槽改造和新型的氧阴极离子膜电解槽的制造，属于电解技术领域。

背景技术

作为化学工业中的一个基础支柱行业，氯碱工业在国民经济中占有十分重要的地位。但该工业靠电解生产产品，属高耗能行业。例如我国氯碱工业的总耗电量占整个工业用电的5％左右，电能消耗极大，因此该行业在我国属于国家强制节能减排的行业之一。离子膜电解槽是国内外电解制烧碱现有的主流装备，该种电解槽目前广泛采用零极距技术，高活性阴、阳极技术等节能措施。但离子膜电解槽的节电技术已接近其理论节电能力的极限。

因此，要进一步提高食盐电解制备烧碱的节能效果，必须采用新技术代替离子膜电解槽电解制烧碱技术。氧阴极技术就是近年来发展起来的一种这样的替代技术。该技术以氧气扩散电极（氧阴极）取代传统离子膜电解槽的活性阴极，其基本原理是在阴极上以氧气还原反应代替氢析出的还原反应。由于阴极反应不同，阴极上的理论分解电压也就不同。氧阴极上的理论分解电压比现行的普通的镍网+活性涂层阴极的电极电位3.2V降低了1.2V左右，从而在理论上可以达到节能近40％的效果。德国、日本和我国都已有氧阴极技术的研究，但是由于一些关键技术尚待获得突破，使该项技术尚未有商业规模的生产。

大尺寸氧阴极电极在电解槽框中的安装及密封技术就是这种尚待突破的关键技术之一。其主要困难在于：为提高电极有效工作面积而增大电极尺寸时会导致电极固定、密封方面的困难，对于柔性的氧阴极电极，这一困难更为突出。当一个电解单槽因密封失效而漏液时，多个电解槽组合的装置不得不停车，经常的停车开车既影响电解过程的稳定，又降低电解效率，且会导致电极性能的劣化，从而提高工艺成本、降低电解质量并降低电极寿命。对于柔性的氧阴极电极，采用机械密封必须用较大的压紧力保证密封效果，这一压紧力会损伤电极，甚至导致密封压紧处附近的电极机械破裂而漏液，从而达不到密封的效果。用粘接剂密封时，现有的密封材料不能在电解温度高达80-90°C下长时间耐强碱作用，导致密封短时间失效而漏液。已有采用有机硅橡胶作粘合剂的密封方法，但由于有机硅需要在潮湿条件下长时间高温固化，生产周期长，影响电解槽大规模生产的效率。因而改进现有的大尺寸氧阴极电极在电解槽框中的安装及密封技术是氧阴极技术用于食盐电解的关键之一。

发明内容

本发明旨在解决尺寸不超过1.2m×2.4m的大尺寸氧阴极电极在离子膜电解槽框中的安装及密封的关键技术问题，提出了一种安装方便、密封可靠的氧阴极离子膜电解槽以及氧气扩散电极在离子膜电解槽中的装载方法。

本发明一方面提供一种氧阴极离子膜电解槽，其特征在于包括从上到下依次设置有机械固定装置、氧气扩散电极、弹性体垫圈、槽框，任选地，在机械固定装置和氧气扩散电极中设置有压板；氧气扩散电极、弹性体垫圈、槽框的相邻面上都涂覆有底涂层，底涂层上涂覆有粘合剂层，所述的粘合剂层与两侧的底涂层形成粘结层；所述的机械固定装置固定在槽框上并能够对氧气扩散电极和弹性体垫圈有压紧的应力以形成与槽框紧密的密封，在氧气扩散电极、弹性体垫圈以及粘结层裸露于电解液中的部位涂覆有保护涂层。

在本发明的一个优选实施方式中，其中的弹性体垫圈采用橡胶。

在本发明的一个优选实施方式中，其中的机械固定装置为金属弹性机械固定装置。

在本发明的一个优选实施方式中，金属弹性固定装置所用的金属材料为镍、钛、钨、钼、铌、锆、铱、铬中的至少一种或其合金。

在本发明的一个优选实施方式中，其中的机械固定装置为螺纹紧固固定装置。

在本发明的一个优选实施方式中，其中螺纹紧固的螺纹连接件用金属材料、陶瓷、高分子材料或其组合制备。

在本发明的一个优选实施方式中，螺纹紧固装置的螺纹连接件用镍、钛、钨、钼、铌、锆、铱、铬或其合金、或陶瓷、或高分子材料制备。

在本发明的一个优选实施方式中，其中的粘合剂为有机硅橡胶。

在本发明的一个优选实施方式中，其中的底涂层为有机硅-环氧涂层。

在本发明的一个优选实施方式中，其中的保护涂层为氟碳面漆。

在本发明的一个优选实施方式中，其中的气体扩散电极是一整张面积不大于1.2m ×2.4m的单个电极或是由数块电极拼接而成。

本发明另一方面还涉及上述氧阴极离子膜电解槽的安装密封方法，包括如下步骤：

（1）在传统离子膜电解槽的槽框边缘特定距离处，通过机械固定或粘接的方法固定一圈弹性体垫圈；

（2）将氧气扩散电极边缘粘结在弹性体垫圈上；

（3）将压板粘结在氧气扩散电极边缘；

（4）把一保护涂层涂覆在弹性体垫圈、氧气扩散电极和粘结层边缘将在电解过程中裸露于电解液的部位；

（5）通过机械固定装置将压板与氧气扩散电极、弹性体垫圈压紧，形成紧密的密封。

所述的粘结是通过先涂覆底涂层，然后在底涂层上涂覆粘合剂层的方式进行，形成粘结层之后固化18小时，优选固化24小时以上。

在本发明的一个优选实施方式中，其中的传统离子膜电解槽的槽框边缘特定距离为1-15cm。

本发明另一方面提供一种氧阴极离子膜电解槽中机械与粘接结合的安装密封方法，通过如下方法实现：

第一，在传统离子膜电解槽的槽框边缘特定距离处，通过机械固定或粘接的方法固定一圈弹性体垫圈；第二，将氧气扩散电极边缘粘结在弹性体垫圈上；第三，将一圈压板粘结在氧气扩散电极边缘；第四，把一保护涂层涂覆在弹性体垫圈、氧气扩散电极和粘结层边缘将在电解过程中裸露于浓碱的部位；第五，通过机械方法将压板与氧气扩散电极、弹性体垫圈压紧，形成紧密的密封。

机械压紧的方法包括螺纹紧固和金属弹性压紧。螺纹紧固的螺纹连接件用耐高温和浓碱腐蚀的材料，如用金属材料、陶瓷或高分子材料制备。金属弹性压紧所用的金属材料用耐高温和浓碱腐蚀的金属，如镍、钛、钨、钼、铌、锆、铱、铬中的至少一种或其合金。

弹性体垫圈采用耐高温且耐浓碱液腐蚀的材料，如橡胶。粘结方法可为底涂层+粘合剂+保护涂层的方法，所用的粘结材料为耐高温且耐浓碱液腐蚀的粘合剂，例如其中底涂层为有机硅-环氧涂层，粘合剂采用有机硅橡胶，保护涂层采用氟碳面漆。

该气体扩散电极可以是一整张面积不大于1.2m ×2.4m的电极，也可以是由数块电极拼接而成。

本发明可以充分利用传统离子膜电解槽的槽框结构，不仅安装方便、生产效率高，而且节约成本。本发明的电解槽能有效地固定氧气扩散电极，密封可靠，耐浓碱腐蚀能力强。可以保证装载了氧气扩散电极的离子膜电解槽在实际电解生产过程中，不发生电解液渗漏。

附图说明

图1是本发明金属弹性机械压紧和粘结结合密封的实施方法示意图；

图2是本发明螺纹紧固机械压紧和粘结结合密封的实施方法示意图。

具体实施方式

实施例1

金属弹性机械压紧的实施例。尺寸为0.8m ×1.2m单块氧阴极电极的安装密封方法如附图1所示。第一，在传统离子膜电解槽的槽框1的边缘5-10cm处，涂覆有机硅-环氧树脂底涂层，再在底涂层上涂覆有机硅橡胶粘合剂层；第二，在橡胶垫圈3与槽框的接触面涂覆有机硅-环氧树脂底涂层，再在底涂层上涂覆有机硅橡胶粘合剂层；然后使其与槽框上的粘合剂层粘结在一起，形成粘结层2，随后固化24小时；第三，在橡胶垫圈3的上面涂覆有机硅-环氧树脂底涂层，再在底涂层上涂覆有机硅橡胶粘合剂层；将氧气扩散电极4边缘的待粘结部位涂覆有机硅-环氧树脂底涂层，再在底涂层上涂覆有机硅橡胶粘合剂层；将氧气扩散电极4的粘合剂层与橡胶垫圈3上面的粘合剂层粘结在一起，形成另一粘结层2，随后固化24小时；第四，将氧气扩散电极4上面边缘的待粘结部位涂覆有机硅-环氧树脂底涂层，再在底涂层上涂覆有机硅橡胶粘合剂层；将镍材压板5的待粘结部位涂覆有机硅-环氧树脂底涂层，再在底漆层上涂覆有机硅橡胶粘合剂层；第五，将一层氟碳面漆涂覆在弹性体垫圈3、氧气扩散电极4和粘结层2的边缘将在电解过程中裸露于浓碱的部位；第六，用多个螺钉6穿过镍材压板5，拧紧在槽框1预先按一定距离加工的螺纹孔上，将镍材压板5固定在槽框1上，同时将镍材压板5的待粘结部位压紧在氧气扩散电极4的待粘结部位上，形成第三个粘结层2，固化24小时。

由于镍材压板5的待粘结面与其相邻面预制成小于90°的角度，且其相邻面的高度略小于三个粘结层2、橡胶垫圈3、氧气扩散电极4的总自由厚度，因此在螺丝6拧紧将镍材压板5固定在槽框1上的同时靠镍材压板5的弹性变形形成的压力对所有的粘结起到机械压紧作用，从而改善了粘结密封的效果。

该方法安装和密封的槽框三个一组制成电解单槽，使单槽的氧阴极总面积达到1.2m×2.4m，经18.62KPa的水压试验2小时未发生渗漏。随后在80-90°C的电解温度下，电解产品氢氧化钠液浓度30-32%的条件下运行30天未发生漏液现象。

实施例2

螺纹紧固机械压紧的实施例。尺寸为0.8m ×1.2m单块氧阴极电极的安装密封方法如附图2所示。第一，在传统离子膜电解槽的槽框7的边缘5-10cm处，按一定的距离焊接多个有内螺纹的套筒8；第二，在电解槽的槽框7的边缘5-10cm处，涂覆有机硅-环氧树脂底涂层，再在底涂层上涂覆有机硅橡胶粘合剂层；第三，在橡胶垫圈9上预制与槽框7上的套筒等距的多个孔，使套筒可在孔中穿过；在橡胶垫圈9与槽框7的待粘结面涂覆有机硅-环氧树脂底涂层，再在底涂层上涂覆有机硅橡胶粘合剂层；然后使其与槽框上的粘合剂层粘结在一起，形成粘结层10，随后固化24小时；第四，在氧气扩散电极11边缘上预制与槽框7上的套筒等距的多个孔，使套筒可在孔中穿过；第五，在橡胶垫圈9的上面涂覆有机硅-环氧树脂底涂层，再在底涂层上涂覆有机硅橡胶粘合剂层，涂覆时注意使有机硅粘合剂充满橡胶垫圈9的孔与套筒8之间的间隙；将氧气扩散电极11边缘的待粘结部位涂覆有机硅-环氧树脂底涂层，再在底涂层上涂覆有机硅橡胶粘合剂层；将氧气扩散电极11的粘合剂层与橡胶垫圈9上面的粘合剂层粘结在一起，形成另一粘结层10，随后固化24小时；第六，将氧气扩散电极11上面边缘的待粘结部位涂覆有机硅-环氧树脂底涂层，再在涂漆层上涂覆有机硅橡胶粘合剂层，涂覆时注意使有机硅粘合剂充满氧气扩散电极11的孔与套筒8之间的间隙；将预制了与槽框8上的套筒等距的多个孔的镍材压板12的待粘结部位涂覆有机硅-环氧树脂底涂层，再在底涂层上涂覆有机硅橡胶粘合剂层；第七，用多个螺钉13穿过镍材压板12，拧紧在槽框7上焊接的套筒8上，将镍材压板12固定在槽框7上，同时将镍材压板12的待粘结部位压紧在氧气扩散电极11的待粘结部位上，形成第三个粘结层10，固化24小时；第八，将一保护涂层涂覆在弹性体垫圈9、氧气扩散电极11、粘结层10和压板12边缘将在电解过程中裸露于浓碱的部位。

由于套筒8的高度略小于三个粘结层10、橡胶垫圈9、氧气扩散电极11和镍材压板12的总自由厚度，因此在螺钉13拧紧将镍材压板12固定在槽框7上的同时对所有的粘结起到机械压紧作用，从而改善了粘结密封的效果。

该方法安装和密封的槽框三个一组制成电解单槽，使单槽的氧阴极总面积达到1.2m×2.4m，经18.62KPa的水压试验2小时未发生渗漏。随后在80-90°C的电解温度下，电解产品氢氧化钠液浓度30-32%的条件下运行30天未发生漏液现象。

尽管本发明仅提供了金属弹性机械压紧和螺纹紧固机械压紧与粘结结合对氧阴极离子膜电解槽进行安装和密封实施方法，并且其实施方法仅限于在食盐电解制备氢氧化钠和氯方面的实际应用，但如本领域的技术人员所知的那样，本发明并不限于实施例所提供的两种机械密封方法，也不限于实施例所提供的粘结方法和应用场合。本领域的技术人员所公知的氧阴极离子膜电解槽中机械与粘接结合的安装密封方法的精神都在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氧阴极离子膜电解槽，其特征在于包括从上到下依次设置有机械固定装置、氧气扩散电极、弹性体垫圈、槽框，任选地，在机械固定装置和氧气扩散电极中设置有压板；氧气扩散电极、弹性体垫圈、槽框的相邻面上都涂覆有底涂层，底涂层上涂覆有粘合剂层，所述的粘合剂层与两侧的底涂层形成粘结层；所述的机械固定装置固定在槽框上并能够对氧气扩散电极和弹性体垫圈有压紧的应力以形成与槽框紧密的密封，在氧气扩散电极、弹性体垫圈以及粘结层裸露于电解液中的部位涂覆有保护涂层，其中的弹性体垫圈采用橡胶。

2.权利要求1所述的氧阴极离子膜电解槽，其中的机械固定装置为金属弹性机械固定装置，其中的金属弹性固定装置所用的金属材料为镍、钛、钨、钼、铌、锆、铱、铬中的至少一种或其合金。

3.权利要求1所述的氧阴极离子膜电解槽，其中的机械固定装置为螺纹紧固固定装置，其中螺纹紧固的螺纹连接件用金属材料、陶瓷、高分子材料中的至少一种或其组合制备，其中的金属材料为镍、钛、钨、钼、铌、锆、铱、铬中的至少一种或其合金。

4.权利要求1所述的氧阴极离子膜电解槽，其中的粘合剂为有机硅橡胶。

5.权利要求1所述的氧阴极离子膜电解槽，其中的底涂层为有机硅-环氧涂层。

6.权利要求1所述的氧阴极离子膜电解槽，其中的保护涂层为氟碳面漆。

7.权利要求1所述的氧阴极离子膜电解槽，其中的气体扩散电极是一整张面积不大于1.2m ×2.4m的单个电极或是由数块电极拼接而成。

8.如权利要求1-7任意一项所述的氧阴极离子膜电解槽的安装密封方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）在传统离子膜电解槽的槽框边缘1-15cm处，通过粘接的方法固定一圈弹性体垫圈；

（2）将氧气扩散电极边缘粘结在弹性体垫圈上；

（3）将压板粘结在氧气扩散电极边缘；

（4）把一保护涂层涂覆在弹性体垫圈、氧气扩散电极和粘结层边缘将在电解过程中裸露于电解液的部位；

（5）通过机械固定装置将压板与氧气扩散电极、弹性体垫圈压紧，形成紧密的密封。

9.根据权利要求8所述的氧阴极离子膜电解槽的安装密封方法，其特征在于所述的粘结是通过先涂覆底涂层，然后在底涂层上涂覆粘合剂层的方式进行，形成粘结层之后固化18小时。

10.根据权利要求8所述的氧阴极离子膜电解槽的安装密封方法，其特征在于形成粘结层之后固化24小时以上。