CN103114299A - 由硼砂制取硼酸的电解装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种由硼砂制取硼酸的电解装置，包括：叠加式电解膜堆（A）、阳极液储槽（B）、阳极液循环泵（C）、氧气析出装置（D）、阴极液储槽（E）、阴极液循环泵（F）和氢气析出装置（G）；所述叠加式电解膜堆（A）包括下端板（a）、上端板（f）、安装于下端板（a）和上端板（f）之间的电极组以及对下端板（a）、电极组和上端板（f）进行压紧固定的压紧装置，所述电极组由一对以上安装在阳极电极框（x）内的阳极板（b）和安装在阴极电极框（y）内的阴极板（e）交替叠加而成，且阳极板（b）和阴极板（e）彼此之间以流道隔网（c）、阳离子交换膜（d）和流道隔网（c）进行间隔。该电解装置能够结晶分离出纯度达到99.96%以上的硼酸。
Description
技术领域
本发明涉及一种由硼砂制取硼酸的电解装置和方法，特别涉及一种用硼砂制取优级品硼酸的电解装置和方法，属于电化学技术领域。
背景技术
硼酸是重要的化工原料之一，广泛应用于电子、医药、化工、陶瓷等领域。目前国内生产硼酸的工艺主要采用一步法和两步法：一步法是将硼矿石焙烧熟化粉碎后加酸溶解、过滤、结晶、离心分离、洗涤、干燥的工艺，此法虽然工艺简单，但是对矿石的品位要求高，需大于19%，而且产品中金属离子和硫酸根含量难控制，硼酸纯度不高；两步法是用硼砂加硫酸生产硼酸，该工艺可有效控制金属离子含量，但是硫酸根含量仍然难于控制，影响产品质量，同时加工成本增大。这两种方法生产硼酸的过程中都加入了大量的其它酸来生产硼酸，所以硼酸成品中杂质含量较高，达不到优级品的使用标准。
发明内容
本发明的目的是提供一种用硼砂制取优级品硼酸的电解装置和方法。
为了达到上述目的，本发明的电解装置采用一对以上阴极和阳极叠加在一起的方式组成叠加式电解膜堆，由于减小了电极间距，因而增大了电解速度，提高了电解效率，可以得到杂质离子只有少量钠离子的硼酸水溶液，能够结晶分离出纯度达到99.96%以上的硼酸。
具体而言，本发明的由硼砂制取硼酸的电解装置，其特征在于，所述装置包括：叠加式电解膜堆、阳极液储槽、阳极液循环泵、氧气析出装置、阴极液储槽、阴极液循环泵和氢气析出装置。
图1为本发明电解装置的结构示意图。该电解装置包括：叠加式电解膜堆A、阳极液储槽B、阳极液循环泵C、氧气析出装置D、阴极液储槽E、阴极液循环泵F和氢气析出装置G，还包括电源等附属设备（图1中未标出）。
所述叠加式电解膜堆包括下端板、上端板、安装于下端板和上端板之间的电极组以及对下端板、电极组和上端板进行压紧固定的压紧装置。所述电极组由一对以上安装在阳极电极框内的阳极板和安装在阴极电极框内的阴极板交替叠加而成，且阳极板和阴极板彼此之间以流道隔网、阳离子交换膜和流道隔网进行间隔。
图2为上述叠加式电解膜堆的结构示意图，展示了两对电极叠加的情形。该叠加式电解膜堆的组成从下到上依次为：下端板a、安装在阳极电极框x内的阳极板b、流道隔网c、阳离子交换膜d、流道隔网c、安装在阴极电极框y内的阴极板e、流道隔网c、阳离子交换膜d、流道隔网c、安装在阳极电极框x内的阳极板b、流道隔网c、阳离子交换膜d、流道隔网c、安装在阴极电极框y内的阴极板e、上端板f。本发明的叠加式电解膜堆还可按图2所示的叠加方式交替叠加多对阳极和阴极，电极对的数目可根据直流电源电压输出或允许电流的大小确定。此外，叠加式电解膜堆还包括压紧装置（图2中未标出）。作为压紧装置，例如可以使用钢板固定并用螺栓压紧的方式等。
在下端板a的一端开有两个孔，在上端板f的与下端板开孔一端相反一端开有两个孔。开孔大小根据阴极液和阳极液的流量等进行确定，一般为0.5~50平方厘米。上端板a和下端板f的外廓尺寸相同。
图3为下端板a的结构示意图，在下端板a的一端开有两个孔1、2。图4为上端板f的结构示意图，在上端板f的与下端板a开孔一端相反一端开有两个孔3、4。
阳极电极框x的外廓尺寸与上端板a和下端板f相同，其左右两端各开有两个孔，孔形状和尺寸以及到相邻两个边缘的距离分别与下端板a和上端板f的两个孔相同。在阳极电极框x上，从一端的一个孔到阳极板之间以及从阳极板到另一端的一个孔之间形成有供液体通过的通道，且这两个通道处于对角位置。阳极电极框x的中间是极板孔（可为长方形、正方形或其它任意形状），用于放入阳极电极板（即阳极板b）。阳极板b可以厚度1~10毫米的钛板或钛网为基材，在其表面镀覆或涂覆厚度0.1~10毫米的过氧化铅涂层或厚度0.1~1000微米的铱钽涂层。阳极板b的面积可根据实际的电解规模等合理设定，没有特别限制。在靠近下端板a的阳极板b上还具有延伸到阳极电极框x外与电源正极相连的端口。
图5为阳极电极框x和阳极板b的结构示意图。阳极板b安装在阳极电极框x内，在阳极电极框x的左右两端各开有两个孔1’、2’、3’、4’，在阳极电极框x上从孔1’到阳极板b之间以及从阳极板b到孔3’之间形成有供液体通过的通道5、5’。由于孔1’和3’处于对角位置，因此通道5和5’也处于对角位置。将图2所示的叠加式电解堆膜安装夹紧后，从下端板a孔1进入阳极电极框x孔1’内的阳极液就会通过通道5进入阳极板b内，流经阳极板b后再通过通道5’流出。此外，在靠近下端板a的阳极板b上还具有与电源正极相连的端口g。
阳离子交换膜d是一种只有阳离子能透过而阴离子不能透过的膜，作为这样的膜，例如可以列举磺酸型阳离子交换膜、复合型阳离子交换膜等。在该阳离子交换膜d的左右两端各开有两个孔，孔形状和尺寸以及到相邻两个边缘的距离分别与下端板a和上端板f的两个孔相同。
图6为阳离子交换膜d的结构示意图，阳离子交换膜d的左右两端各开有两个孔1”、2”、3”、4”。
阴极电极框y的外廓尺寸也与上端板a和下端板f相同，其左右两端也各开有两个孔。孔形状和尺寸以及到相邻两个边缘的距离分别与下端板a和上端板f的两个孔相同。在阴极电极框y上，从一端的一个孔到阴极之间以及从阴极到另一端的一个孔之间形成有供液体通过的通道，这两个通道处于对角位置，且不与阳极电极框x上的通道处于同一位置。中间是极板孔（可为长方形、正方形或其它任意形状），用于放入阴极电极板（即阴极板e）。阴极板e的材质可为不锈钢或钛，外形可为板或网，厚度一般为0.5~10毫米，面积可根据实际的电解规模等合理设定，没有特别限制。在靠近上端板f的阴极板e上还具有延伸到阴极电极框y外与电源负极相连的端口。
图7为阴极电极框y和阴极板e的结构示意图。阴极板e安装在阴极电极框y内，在阴极电极框y的左右两端各开有两个孔1”’、2”’、3”’、4”’，在阴极电极框y上从孔2”’到阴极板e之间以及从阴极板e到孔4”’之间形成有供液体通过的通道6、6’。由于孔2”’和4”’处于对角位置，因此通道6和6’也处于对角位置，且通道6和6’与阳极电极框x上的通道5和5’错开分布。将图2所示的叠加式电解膜堆安装夹紧后，从下端板a孔2进入阴极电极框y孔2’内的阴极液就会通过通道6进入阴极板e内，流经阴极板e后再通过通道6’流出。此外，在靠近上端板f的阴极板e上还具有与电源负极相连的端口g’。
图8为沿图5或图7的A-A方向对通道进行切割后的断面图。
对上述各孔的形状没有特别限制，可为圆孔或多角形孔，但各孔的形状、尺寸和位置应相对应，以便将图2所示的叠加式电解膜堆安装夹紧后，孔1、1’、1”和1”’，孔2、2’、2”和2”’，孔3、3’、3”和3”’，孔4、4’、4”和4”’分别相互对齐在纵向形成管路。通道5、5’与通道6、6’不在同一位置，需错开分布，以便阳极液和阴极液分别沿不同管路从上端板f的开孔流出。
下端板a、阳极电极框x、阴极电极框y和上端板f的材质优选耐酸碱和耐100℃的材料如聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）等，厚度一般为2~50毫米，其大小尺寸可根据电极板尺寸进行确定。此外，下端板a、阳极电极框x、阳离子交换膜d、阴极电极框y、上端板f之间优选采用密封手段进行密封，例如硅橡胶密封垫密封、粘合剂粘合密封等。
流道隔网c起到使液体（阳极液和阴极液）均匀分布的作用，一般为2~20毫米厚的PP网或PE网，上边有圆孔或多角形孔。
阳极液储槽B及阴极液储槽E优选由能够耐受100℃的PP、PE或者不锈钢等耐蚀材料焊接而成。阳极液循环泵C和阴极液循环泵F优选以能够耐受100℃的PP、PE或者不锈钢等耐蚀材料为泵体的耐蚀泵。氧气析出装置D和氢气析出装置G优选由能够耐受100℃的PP、PE或者不锈钢等耐蚀材料焊接而成，设有进液口、出液口、排气口、斜板等（未图示）。
本发明由硼砂制取硼酸的方法，其特征在于，使用上述电解装置，阳极液硼砂浓度为100~500克/升，阳极液和阴极液的温度为40~100℃，单对电极电解电压为2~10伏。
具体而言，在阳极液储槽B中放入100～500克/升的硼砂水溶液（阳极液），在阴极液储槽E中放入0.5克/升~500克/升的烧碱溶液（阴极液，起导电作用），并将阳极液和阴极液分别加热至40~100℃。阳极液通过阳极液循环泵C加压后，由下端板a孔1进入阳极电极框x孔1’内，并通过通路5进入阳极板b内，流经阳极板b（阳极液被铺设于阳极板b上的流道隔网c均匀分布）后通过通路5’进入孔3’，然后依次通过阳离子交换膜d孔3”、阴极电极框y孔3”’，最终通过上端板a孔3进入氧气析出装置D，接着流回阳极液储槽B。阴极液通过阴极液循环泵F加压后，由下端板a孔2依次进入阳极电极框x孔2’、阳离子交换膜d孔2”，然后进入阴极电极框y孔2”’内，并通过通路6进入阴极板e内，流经阴极板e（阴极液被铺设于阴极板e上的流道隔网c均匀分布）后通过通路6’进入孔4”’，最终通过上端板a孔4进入氢气析出装置，接着流回阴极液储槽E。经由端口g和g’在阳极板b和阴极板e之间接入直流电源（阳极板接正极，阴极板接负极），通入2~10伏的直流电。这时，阳极板b表面发生电解反应放出氧气，并产生氢离子H+进入阳极液，与阳极液中的硼酸根结合形成硼酸，产生的氧气随阳极液到氧气析出装置D析出，阳极液中的钠离子Na+透过阳离子交换膜d进入阴极液。同时，阴极板e表面发生电解反应放出氢气，并产生氢氧根进入阴极液，氢氧根和从阳极区透过来的钠离子结合形成氢氧化钠，产生的氢气随阴极液到氢气析出装置G析出。当阳极液pH值降到7以下（优选降到pH=4以下）时，将阳极液（杂质离子只有少量钠离子的硼酸水溶液）降温，析出结晶后过滤，就可得到纯度达到99.96%以上的硼酸。
附图说明
图1为本发明电解装置的结构示意图。
图2为叠加式电解膜堆的结构示意图。
图3为下端板的结构示意图。
图4为上端板的结构示意图。
图5为阳极电极框和阳极板的结构示意图，
图6为阳离子交换膜的结构示意图。
图7为阴极电极框和阴极板的结构示意图。
图8为沿图5或图7的A-A方向对通道进行切割后的断面图。
上述各图中，A：叠加式电解膜堆、B：阳极液储槽、C：阳极液循环泵、D：氧气析出装置、E：阴极液储槽、F：阴极液循环泵、G：氢气析出装置；a：下端板、x：阳极电极框、b：阳极板、c：流道隔网、d：阳离子交换膜、y：阴极电极框、e：阴极板、f：上端板；1、2、3、4、1’、2’、3’、4’、1”、2”、3”、4”、1”’、2”’、3”’、4”’：孔；5、5’、6、6’：通道。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明，但下面的实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
实施例1
以表面镀覆有0.5毫米过氧化铅涂层的长宽厚为500毫米×300毫米×3毫米的钛板为阳极板，将之安装到长宽厚为660毫米×360毫米×10毫米的PP板阳极电极框内。以长宽厚为500毫米×300毫米×3毫米的不锈钢板为阴极板，将之安装到长宽厚为660毫米×360毫米×10毫米的PP板阴极电极框内。采用长宽厚为660毫米×360毫米×10毫米的PP板为下端板和上端板，长宽厚为660毫米×360毫米×0.2毫米的磺酸型阳离子交换膜为阳离子交换膜，长宽厚为500毫米×300毫米×2毫米、网眼大小为5毫米×5毫米的PP网为流道隔网。各板的开孔大小为5平方厘米、开孔形状为圆孔、开孔位置为孔圆心距离360毫米边40毫米且距离660毫米边80毫米，沟槽大小为40毫米×40毫米、凹陷深度为5毫米。以图2所示方式将八对阴阳极组装成长宽厚为660毫米×360毫米×200毫米的叠加式电解膜堆，用硅橡胶密封垫对下端板、阳极电极框、阳离子交换膜、阴极电极框和上端板进行密封后，用钢板固定螺栓压紧，并按图1所示方式组装电解装置。阳极液配制350克/升的十水硼砂水溶液20升，阴极液配制0.5克/升烧碱水溶液20升，阳极液和阴极液均加热至90~95℃，单对电极电压5伏，电解时间150分钟，阳极液pH值降至2.3时，降温结晶过滤得到99.96%硼酸。
实施例2
采用和实施例1相同的试验设备，阳极液配制250克/升的十水硼砂水溶液20升，阴极液配制0.5克/升烧碱水溶液20升，阳极液和阴极液均加热至80~85℃，单对电极电压5伏，电解时间150分钟，阳极液pH值降至2.5时，降温结晶过滤得到99.97%硼酸。
实施例3
采用和实施例1相同的试验设备，阳极液配制150克/升的十水硼砂水溶液20升，阴极液配制0.5克/升烧碱水溶液20升，阳极液和阴极液均加热至65~70℃，单对电极电压4伏，电解时间220分钟，阳极液pH值降至2.1时，降温结晶过滤得到99.96%硼酸。
实施例4
以表面镀覆有0.1毫米铱钽涂层的长宽厚为900毫米×300毫米×2毫米的钛板为阳极板，将之安装到长宽厚为1400毫米×400毫米×10毫米的PP板阳极电极框内。以长宽厚为900毫米×300毫米×2毫米的不锈钢板为阴极板，将之安装到长宽厚为1400毫米×400毫米×10毫米的PP板阴极电极框内。采用长宽厚为1400毫米×400毫米×10毫米的PP板为下端板和上端板，长宽厚为1400毫米×400毫米×0.2毫米的磺酸型阳离子交换膜为阳离子交换膜，长宽厚为900毫米×300毫米×2毫米、网眼直径为5毫米圆孔的PP网为流道隔网。各板的开孔大小为5平方厘米、开孔形状为圆孔、开孔位置为孔圆心到400毫米边距离为125毫米并到1400毫米边距离为100毫米，沟槽大小为125毫米×100毫米、凹陷深度为5毫米。以图2所示方式将八对阴阳极组装成长宽厚为1400毫米×400毫米×200毫米的叠加式电解膜堆，用硅橡胶密封垫对下端板、阳极电极框、阳离子交换膜、阴极电极框和上端板进行密封后，用钢板紧固螺栓压紧，并按图1所示方式组装电解装置。阳极液配制350克/升的十水硼砂水溶液20升，阴极液配制0.5克/升烧碱水溶液20升，阳极液和阴极液均加热至90~95℃，单对电极电压6伏，电解时间60分钟，阳极液pH值降至2.1时，降温结晶过滤得到99.98%硼酸。
Claims (8)
1.一种由硼砂制取硼酸的电解装置，其特征在于，所述装置包括：叠加式电解膜堆（A）、阳极液储槽（B）、阳极液循环泵（C）、氧气析出装置（D）、阴极液储槽（E）、阴极液循环泵（F）和氢气析出装置（G）；
所述叠加式电解膜堆（A）包括下端板（a）、上端板（f）、安装于下端板（a）和上端板（f）之间的电极组以及对下端板（a）、电极组和上端板（f）进行压紧固定的压紧装置，所述电极组由一对以上安装在阳极电极框（x）内的阳极板（b）和安装在阴极电极框（y）内的阴极板（e）交替叠加而成，且阳极板（b）和阴极板（e）彼此之间以流道隔网（c）、阳离子交换膜（d）和流道隔网（c）进行间隔；
在下端板（a）的一端开有两个孔（1、2），在上端板（f）与下端板（a）开孔一端相反一端开有两个孔（3、4），在阳极电极框（x）、阳离子交换膜（d）和阴极电极框（y）的左右两端各开有两个孔（1’、2’、3’、4’；1”、2”、3”、4”；1”’、2”’、3”’、4”’），孔（1、1’、1”、1”’）、孔（2、2’、2”、2”’）、孔（3、3’、3”、3”’）、孔（4、4’、4”、4”’）分别相互对齐在纵向形成管路；
在阳极电极框（x）上从孔（1’）到阳极板（b）之间以及从阳极板（b）到孔（3’）之间形成有供液体通过的通道（5、5’），在阴极电极框（y）上从孔（2”’）到阴极板（e）之间以及从阴极板（e）到孔（4”’）之间形成有供液体通过的通道（6、6’）。
2.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述通道（5、5’、6、6’）为沟槽。
3.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述下端板（a）、阳极电极框（x）、阳离子交换膜（d）、阴极电极框（y）、上端板（f）之间采用密封手段进行密封。
4.根据权利要求3所述的电解装置，其特征在于，所述密封手段为硅橡胶密封垫。
5.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述下端板（a）、阳极电极框（x）、阴极电极框（y）和上端板（f）的材质是耐酸碱和耐100℃的聚丙烯或聚乙烯，厚度为2~50毫米。
6.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述阳极板以厚度1~10毫米的钛板或钛网为基材，在其表面镀覆或涂覆厚度0.1~10毫米的过氧化铅涂层或厚度0.1~1000微米的铱钽涂层。
7.根据权利要求1所述的电解装置，其特征在于，所述阴极板的材质为不锈钢或钛，外形为板或网，厚度为0.5~10毫米。
8.一种由硼砂制取硼酸的方法，其特征在于，使用权利要求1~7中任意一项所述的电解装置，阳极液硼砂浓度为100~500克/升，阳极液和阴极液的温度为40~100℃，单对电极电解电压为2~10伏。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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