CN1041644C - 气体电极的压滤机式盐水溶液电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及盐类水溶液的电解，具体地说就是提供了一种用于食盐水溶液制取氯酸盐，食盐水溶液制取氯气与烧碱等电解过程的电解槽，其特点是使用了以氧气或空气作退极化剂的气体扩散型阴极，并采用了细孔层分隔气液室及间隙片的硬支撑技术，从而盐类水溶液的电解能耗大幅度降低，并且电极的制备技术简单，电解过程易于控制。
Description
本发明涉及盐类水溶液的电解，具体地说就是提供了一种用于食盐水溶液制取氯酸盐，食盐水溶液制取氯气与烧碱等电解过程的电解槽。
所谓盐水溶液电解系指电解质为盐类水溶液的电解过程，诸如由食盐水溶液制取氯酸盐，氯酸盐水溶液制取高氯酸盐，食盐水溶液制取氯气与烧碱等。现行的盐水溶液电解均是在以二氧化铅或钌钛(DSA)为阳极，以铁、钢或铜等金属为阴极的无隔膜或有隔膜的电解槽中进行的。其阴极过程皆为水的放电生成碱与氢气：
φH2O／H2=-0．828伏
现行技术主要存在如下缺点：
(1)电耗比较高，即使采用RuOx／Ti阳极和带外反应器的高效电解槽，生产每吨NaClO3的直流电耗高达5000～6000度。
(2)在某些场合所析出的氢得不到利用而白白放空排掉，造成能源重大损失。
采用氢氧燃料电池的多孔气体扩散型氧阴极代替上述盐水溶解的电解槽析氢阴极，以空气或氧为退极化剂，以耗氧过程：
φ°O2／OH-=0．401
代替析氢过程，消除副产物氢气并使槽电压下降0．8～1．0伏，从而实现大幅度节能。这一原理已为国内外大量实验所证实。但若付诸工业实施，关键要解决电槽结构问题。
美国专利PCT／US83／01218曾报导过一项将带有防水层的气体扩散型阴极用于食盐水溶液的电解以制取氯气与烧碱的技术，该专利采用分层气室的技术，不同层次的气室控制不同的压力，以对应该层次电解液的静压头，该方法不但制备技术复杂，而且电解过程中在多个单池组合上气体的分配问题也不易控制。
本发明的目的在于提供一种用空气或氧气作退极化剂的电解槽能广泛地用于盐类水溶液的电解并且能耗低，同时电解槽的制备技术简单，电解过程易于控制。即气体电极的压滤机式盐水溶液电解槽。
本发明提供了一种气体电极的压滤机式盐水溶液电解槽，由多个单池电槽组合而成的单极或复极式结构，每个单池以DSA．Pt或PbO2作阳极，阴极为以空气或氧气作退极化剂的多孔气体扩散型阴极，其特征在于：每个单池是由阳极、工作液室、细孔层、阴极、工作气室依次组装而成的；其中细孔层用以分隔电解的气室与液室，它的孔眼部位致密而均匀，孔径应在800～1000_之间，孔隙率在65～85％，厚度以0．5～2．0mm为宜；工作液室为由间隔片构成的使细孔层与多孔气体扩散型阴极紧密结合，稳定工作的硬支撑结构，其间有液体通道，液体通道的截面不小于液体进出该间隔片的通道截面；工作气室为由带有气体通道的导电支撑体构成。
所述细孔层以有机材料如聚砜、有机玻璃、增强聚丙烯或无机材料如钛酸钾、氧化硅或陶瓷、石棉的绝缘材料制备。
所述间隔片适用无机材料如陶瓷类金属氧化物或有机材料如聚砜、增强聚丙烯的耐介质腐蚀材料制备。
所述导电支撑体选用钛、镍或铁镀镍或非金属材料如石墨、碳素体的良导体材料制备。
在用于食盐水电解制取氯气与烧碱时，每个单池电槽中阳极的靠近细孔层一侧加阳离子交换膜，另一侧由间隔片构成盐水腔。可选用金属材料如钛、镍或铁镀镍做间隔片。
在本发明中，细孔层是用来分隔以空气或以氧气为退极化剂的平板型压滤机式盐水溶液电解槽的气室与液室的，以解决气体与液体的相互渗透，确保电催化剂三相界面稳定工作。间隔片则是使细孔层与多孔气体扩散型阴极紧密结合，稳定工作的硬支撑技术，间隔片的硬支撑结构需同导电工作气室结构相匹配。下面结合附图详述实施例。
附图1为一种无隔膜的复极结构电槽示意图；
附图2为一种有隔膜的复极结构电槽示意图；
附图3为一种片状结构间隔片示意图；
附图4为一种网状结构间隔片示意图。
(a)为侧面剖视图 (b)为主视图。
图中：1．细孔层；2．气体扩散型阴极；3．导电气室支撑结构；4．间隔片硬支撑结构；5．液室；6．气室；7．阳极；8．多孔导电板；9．支撑条；10．阴离子交换膜；11．界板；12．盐水腔；13．碱腔液流孔道。
实施例1 食盐水溶液电解制取氯酸钠
按附图1组装出电极面积为500cm2的由20个单池组合而成的复极压滤机式电解槽。细孔层1选用有机玻璃制作，孔径为800_，孔隙率为85％，厚度为2．0mm。间隔片4采用附图3的设计，选用聚砜模压成型。构成工作气室的导电支撑结构3所用材料为钛，阳极为RuOx／Ti。用空气作退极化剂，电性能如表1。表1连续运行的以空气作退极化剂的复极压滤机式氯酸盐电解槽的电性能
运行条件：i=100mA／cm2；Tcell=58±2℃；
TR=60±1℃；PAir=0．05MPa；P盐水=0．02MPa；
电流浓度=25A／L；pH=7．0～6．10
| 编号 | 出槽液浓度(g/L) | 平均单槽电压(V) | 电流效率(％) | 直流电耗(KW-hr/t·NaClOa | |||
| NaClO3 | NaCl | CEg | CEc | Wg | Wc | ||
| 7-1 | 467.3 | 118.28 | 2.263 | 91.2 | 92.5 | 3749 | 3678 |
| 7-2 | 431.15 | 108.57 | 2.266 | 91.5 | 92.5 | 3742 | 3678 |
| 7-3 | 430.4 | 97.14 | 2.273 | 90.6 | 92.2 | 3791 | 3725 |
| 7-4 | 426.94 | 105.71 | 2.273 | 90.6 | 92.2 | 3791 | 3725 |
| 7-5 | 429.85 | 105.38 | 2.253 | 89.8 | 93.91 | 3791 | 3625 |
注：CEg根据析出气体测得的电流效率；
CEc根据化学分析测得的电流效率；
Wg根据气体电流效率测得的直流电耗；
Wc根据化学分析电流效率测得的直流电耗。
可见本发明用于食盐水溶液电解制取氯酸钠与现行技术相比具有如下三个显著的优点：
(1)能耗低：现行氯酸盐工业，其直流电耗均在5000～6000kw-hr／t·NaClO3，本发明的直流电耗仅为3700±100KW-hr／t·NaClO3。
(2)无污染：现行电槽均以Na2Cr2O7为添加剂，抑制阴极副反应，在处理循环液时，六价铬的流失造成水质的污染，同时析出的氢气中含有氯气，也会造成大气污染。本发明不使用任何添加剂，亦无氢的析出，电槽全密封，对环境无污染。
(3)运行安全：现行电槽因析出氢气，氢中含有氧与氯等，形成氧-氢、氯-氢混合气体均为爆炸隐患。本发明因改换了电极反应，无氢气析出，从而根除了爆炸隐患，确保电槽的运行安全。
实施例2 食盐水溶液电解制取氯气与烧碱
按图2组装出有隔膜的复极结构电槽，细孔层1、间隔片4及阳极7与实施例1相同，离子膜10为市售的日本德山曹达的羧酸阳离子膜。以多孔导电板8及支撑条9构成的工作气室用钛制备，电性能如表3。
表3 以氧作退极化剂的氯碱电槽性能
| 运行条件：Tcell=86±1℃；P盐水=0.02MPa[NaCl]=250～300g/L；pH=3；P碱=0.02MPa[NaOH]=25％wt；PO2=0.05Mpa | ||||
| 电流强度(A) | 电流密度(mA/cm2) | 槽电压(V) | 电流效率(％) | 直流电耗(KW-H/t·NaOH) |
| 16.022.028.20 | 114157201 | 1.9012.1002.287 | 959595 | 134114811613 |
本发明用于食盐水溶液电解制取氧气与烧碱与现行技术相比有如下优点：
(1)结构更加简单。目前用气体电极生产氯碱的电槽采用的是按电槽高度分层控制气体压力的方法来维持气体与液体的分离，结构复杂，尤其对多个单池组合为复极或单极组合电槽时，其结构难度颇大。本发明以细孔层分隔电槽的气室与液室，并采用间隔片施以硬支撑，以P气室＞P液室的方法极有效而简便地控制气液分离问题。
(2)能耗低。由于本发明改换了阴极反应，使直流电耗大幅度降低，达到世界先进水平1．600kw·hr／t·NaOH。
Claims (6)
1．一种气体电极的压滤机式盐水溶液电解槽，由多个单池电槽组合而成的单极或复极式结构，每个单池以DSA．Pt或PbO2作阳极，阴极为以空气或氧气作退极化剂的多孔气体扩散型阴极，其特征在于：每个单池是由阳极、工作液室、细孔层、阴极、工作气室依次组装而成的；其中细孔层用以分隔电槽的气室与液室，它的孔眼部位致密而均匀，孔径应在800～1000_之间，孔隙率在65～85％，厚度0．5～2．0mm；工作液室为由间隔片构成的使细孔层与多孔气体扩散型阴极紧密结合，稳定工作的硬支撑结构，其间有液体通道，液体通道的截面不小于液体进出该间隔片的通道截面；工作气室为带有气体通道的导电支撑体构成。
2．按权利要求1所述气体电极的压滤机式盐水溶液电解槽，其特征在于：所述细孔层选自聚砜、有机玻璃、增强聚丙烯、钛酸钾、氧化硅、陶瓷或石棉。
3．按权利要求1所述气体电极的压滤机式盐水溶液电解槽，其特征在于：所述间隔片选自陶瓷类金属氧化物、聚砜或增强聚丙烯。
4．按权利要求1所述气体电极的压滤机式盐水溶液电解槽，其特征在于：所述导电支撑体选自钛、镍、铁镀镍、石墨或碳素体。
5．按权利要求1所述气体电极的压滤机式盐水溶液电解槽，其特征在于：在用于食盐水电解制取氯气与烧碱时，每个单池电槽中阳极的靠近细孔层一侧加阳离子交换膜，另一侧由间隔片构成盐水腔。
6．按权利要求5所述气体电极的压滤机式盐水溶液电解槽，其特征在于：所述间隔片选自钛、镍或铁镀镍。
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| CN 92106088 CN1041644C (zh) | 1992-03-11 | 1992-03-11 | 气体电极的压滤机式盐水溶液电解槽 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1316063C (zh) * | 2004-04-09 | 2007-05-16 | 阜新竞欣电化有限责任公司 | 压滤式复极离子膜单元电解槽 |
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1992
- 1992-03-11 CN CN 92106088 patent/CN1041644C/zh not_active Expired - Fee Related
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