CN1045797C - 电极水平放置式氯酸盐电解槽 - Google Patents
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Abstract
一种氯酸盐电解槽，其特征在于它采用带穿孔或拉伸网状平板式电极，且电极是水平放置，电解槽运行时，电解液是自下而上穿过电极平面。该电极间加有绝缘密封框，电极间的距离可由绝缘密封框的厚度来调整，因而很易实现1mm以下的极间距结构，可有效的减少电耗，改善了电解槽的性能，提高了时空产率。同时，该电解槽结构简单，组装方便，电极易于更新再生，电解槽使用寿命长。
Description
本发明涉及一种电解槽，具体地说是提供一种用于制备氯酸盐的电解槽。
工业生产中，氯酸盐(主要是NaClO3)是由饱和食盐水在无隔膜电解槽中电解制得，其生产设备中的核心部件是电解槽。先进的氯酸盐电解槽其阳极广为采用性能稳定的金属阳极，如Ru-Ti,Ru-Ti-Sn,Ru-Ti-Ir等，其阴极采用活性阴极以及空气阴极。从电解槽本身看，也已由传统的一体式发展为带外反应的两体或三体式电解槽。如八十年代工业上采用的单极式带外反应器电解槽技术。这类电解槽虽然电耗低，电流效率高，但尚存在以下不足之处：1．电解槽制作费用高，技术要求严，阳极以氩弧焊的方式焊接于壳体，均匀的极间距及精确的位置不好控制；2．电解槽运行时所需电解液要经严格处理，特别是对盐水中Ca2+,Mg2+敏感，易沉积于阴极，从而影响了电解槽运行性能，平均2～3个月需以酸清洗一次电解槽；3．电解槽的阳极使用失效后再生困难，失效的阳极须一片片割下来重新定型定尺寸，壳体也需要重新整型，增加修复成本。
本发明的目的是提供一种新型氯酸盐电解槽，使用这种电解槽能克服目前采用电解槽的上述缺点，它不但具有电耗低、电流效率高的优点，并具有结构简单，组装方便，电极易更换等特点；同时，电解槽运行中可有效避免Ca2+、Mg2+的沉积，提高了电解槽的使用率。
为实现上述目的，本发明对公知的电解槽技术进行了较大的改进，其特征在于它改变了普通电解槽中的平板电极垂直放置的传统结构形式，而采用水平放置电极的电极结构，且电极采用带穿孔或拉伸网状平板式电极。这种结构的电解槽在运行时，电解液(盐水)是自下而上穿过电极平面。上述各电极间加有绝缘密封框，电极间的距离可由绝缘密封框的厚度来决定，只要选择绝缘密封框的厚度就可调整极间距。因此易于实现1mm以下的极间距结构，有利于提高电解槽的性能和时空产率。上述本发明的电解槽，电极板和密封框复合组装印可制成一密闭槽体，而不需要传统的槽体。附图1为本发明电解槽的结构示意图，图中：1、阳极；2、阴极；3．绝缘密封框；4．导电铜排：5，上、下夹板。A方向为电解槽运行时，电解液流动方向。按附图所示的结构，可以很方便地组装本发明电解槽，印将穿孔或拉伸网电极板(1,2)与绝缘密封框3依次迭加成一组电槽，并在其上、下各加一夹板5，然后用紧固螺栓将其固定(同时应保证槽内密封)，密封框外部分的极板(1,2)分两组，并且导电铜排4将极板紧密连成一体构成阳极1和阴极2组装成电解槽。电解槽运行时，电解液从下夹板5入口通入，穿过电极板的穿孔或网孔于上夹板5出口流出。本发明电解槽的电极材料，其阳极可采用金属阳极，例如：钌钛系及镀铂钛、二氧化铅或二氧化锰等材料，阴极可采用不锈钢、铜、铁、钛、镍及铁镀镍等材料，这些金属材料制成平板再加工成穿孔板或拉伸网板。要求穿孔板的开孔率应在20～60％，其开孔的形状对电极性能无影响，通常可在极板上均匀的加工成φ1～10mm圆孔；要求拉伸板的拉伸比在1.30～1.60之间，电极板的厚度可视电解槽的大小选择，一般为0.5～3mm，常用的单极式电槽可选1.0～1.5mm厚的平板制作电极板。电解槽使用的绝缘密封框3应采用绝缘和密封性能好，并对电解液及电解产物具有抗腐蚀的有机、无机材料制成，例如橡胶、塑料、石棉等材料制成，其厚度将决定电极的极间距，一般可选择厚度为0.1～5mm。
本发明不但具有电耗低、电流效率高的优点，并具有结构简单，组装方便，电极易更换等特点；同时，电解槽运行中可有效避免Ca2+、Mg2+的沉积，提高了电解槽的使用率。
附图1为电解槽结构示意图。
附图2为电极板结构示意图。
下面通过实例对本发明的技术给予进一步详细地说明。
实例1电极水平放置式氯酸盐电解槽及使用
按附图2所示电极板选用不同材料，制成穿孔板电极或拉伸网电极，其电极有效工作面积a为10×10×2cm2/片。绝缘密封框采用橡胶制成，橡胶密封框为内框10×10cm2，框宽b1.5cm的一垫框。导电铜排厚度根据电极和密封框厚度定，上、下夹板用有机树脂PVC材料制成。按附图1所示电解槽结构，利用d孔可将上述部件组装成本发明的电解槽。其电极材料、规格、用途、开孔率如表1所示。
表1不同电极板材料、规格及开孔率
| 代号 | 用途 | 材 料 | 规 格 | 开孔率 |
| AaCC1C2C3 | 阳极阳极阴极阴极阴极阴极 | TiRu-Ti-Sn涂面TiRu-Ti-Sn涂面Ti不锈钢TiNi/Fe | 1nm拉伸网1mmφ2孔板1mm拉伸网1mmφ2孔板1mmφ2孔板1mmφ2孔板 | 43％40％43％22％40％40％ |
按公知的单槽带外反应器式氯酸盐生产工艺及设备，并采用上述制备的本发明的电解槽可用于制备NaCl03。为控制电解液在电解槽内的流速，可外加一台循环泵。实验方法是，量取一定量的盐水，用1:1HCl缓慢调整PH值至6左右，加入Na2Cr2073g/L，加热至70～75℃倒入反应器中，立印开泵，送电电解，记录时间(t)、反应器中电解液温度(T)、电流(I)、电量(Q)、电压(E)、PH值，尾气氧含量(O2％)及运行中1N酸盐水的加入量，运行中维持PH值在6.3～6.7之间，反应器溶液温度在70±5℃。运行至终槽(100g/l NaCl左右)停槽，放出槽液，用去离子水清洗系统，量取室温下终槽液和洗槽液的体积，分析其中NaClO3和NaCl含量。
实例2极间距对电解槽的性能影响
采用4片A阳极及5片C阴极组成4A5C电解槽，当极间距不同时，电压(E)随电量(Q)的变化如表2、3。
表2 2.8mm极间距E随Q的变化
| Q(AH) | 432 692 1560 1841 2406 3237 3812 4469 |
| E(V) | 3.153 3.192 3.276 3.285 3.278 3.278 3.350 3.402 |
其它运行条件：6L盐水；PH6.3～6.7；反应温度70±5℃；150A(187mA/cm2)；终槽浓度：NaCl 86.21g/L,NaClO3 448.7g/L，电流效率93.7％。
表3 0.8mm极间距E随Q的变化
| Q(AH) | 422 882 1346 1804 2273 2906 3818 |
| E(V) | 3.121 3.132 3.144 3.156 3.181 3.202 3.227 |
其它运行条件：5.5L盐水；PH 6.3～6.7；反应温度70+5℃,160A(200mA/cm2)；终槽浓度：NaCl 107.7g/L,NaClO3 441.9g/L，电流效率94.1％。
由表2、3可知，极间距由2.8mm降至0.8mm，单槽平均槽电压(E)下降100mV左右。一般来讲，极间距越小越好，有利于降低溶液的欧姆压降，降低电耗。另外，还减小了电解槽体积，提高了对空产率。但是由于电解槽运行时，电解液的冲击，为避免电极短路极间距又不可过小，应太于0.1mm。随电解槽体积变化极间距可在0.1～5mm之间选择，当极间距控制在1mm以内时，可有效地提高电槽性能和提高时空产率。
实例3电板材料对电解槽的性能影响
采用表1的阳极材料与C1(Fe),C2(Ti)及C3(Ni/Fe)阴极材料组成测试电解槽，在150ml 310g/L NaCl+3g/L Na2Cr2O7溶液中，PH6～6.5,60℃，工作面积1.76cm2，无搅拌下的电流i与阴极电板电位φc值如表4。
表4不同阴极在盐水溶液中i-φc关系
续
由表4可知，不同阴极材料的φc相差很大，以Ni/Fe性能最好。实例4开孔率对电解槽性能的影响
| i mA/Cm | 1 5 10 50 100 150 200 | |
| -φcVS.SCE | Ti | 1.293 1.481 1.565 1.705 1.757 1.783 1.805 |
| Fe | 0.986 1.379 1.476 1.635 1.694 1.726 1.749 | |
| Ni/Fe | 0.904 1.110 1.188 1.329 1.404 1.457 1.505 | |
| i mA/Cm2 | 250 300 350 400 450 500 | |
| -φcVS.SCE | Ti | 1.821 1.835 1.855 1.875 1.882 1.895 |
| Fe | 1.770 1.788 1.806 1.819 1.833 1.855 | |
| Ni/Fe | 1,546 1.584 1.618 1.653 1.684 1.720 | |
采用表1的A为阳极，C1及C2为阴极组成的极间距为2.8mm的电解槽，运行方法及条件如实例1，其运行初期槽压(E)与电流(I)的关系如表5、表6。
表51A1C1槽，100cm2工作面积，3L盐水
表61A21C2槽，100cm2工作面积，3L盐水
| I(A) | 2 5 10 15 20 25 30 35 40 | |
| E(V) | C1位上 | 3.24 3.49 3.60 4.09 |
| C1位下 | 1.80 2.37 2.53 2.69 2.76 2.91 3.05 3.19 3.32 | |
| I(A) | 5 10 15 20 25 35 40 50 | |
| E(V) | C2位上 | 2.67 2.79 2.88 3.04 3.14 3.25 3.35 3.45 |
| C2位下 | 2.52 2.68 2.79 2.96 3.08 3.19 3.31 3.45 | |
由表5可见，阴极C1位上和位下对E影响很大，以250mA/cm2运行为例，位上时比位下时E高出1V左右。而由表6知，阴极C2位上或位下对E值影响不大。开孔率过低使槽压被动，且槽压升高。因此本发明的电极开孔率应大于20％，但开孔率过大相应减少电极表面积，一般以小子60％为宜，且较佳的开孔率为35～45％。
实例5本发明电解槽用于NaClO3生产
采用本发明电解槽(如实例1)，阳极为1mm整平后的铁拉伸网，双面涂Ru-Sn-Ti；阴极为1mm整平后的铁拉伸网镀暗镍，组装极间距为0.7～0.8mm的电解槽用于NaClO3电化生产，运行条件：电流密度250mA/cm2，电流浓度30A/L,70℃,PH6.3～6.7，泵强制循环，其他条件如实例1，运行结果为：
1．槽电压V在2.9(初始)～3.1(终)V之间；2．电流效率CE为94±2％；3．电能消耗W为4800～5000Kwh/t NaClO3；4．电槽电解尾气组成为2～3％O2,0.5％ Cl2，其余为H2和少量水蒸汽。
由上述实例，本发明的水平放置电极式氯酸盐电解槽与公知技术相比具有下述优点：
1．电解槽制作、组装、拆卸等十分简单，大大降低了制作成本。
2．电极更换方便，便于阳极再生，提高了电解槽使用寿命。
3．电极间距易控制，易实现1mm以下的极间距结构，有利于提高电槽性能和时空产率。
4．由于电极水平放置，运行中气液混合体在槽内湍动、冲刷，有效地防止了Ca2+、Mg2+的沉积。
同时，这种电解槽为单极式，便于对目前工业大量采用的单极氯酸盐电解槽进行替换，适于工业推广应用。
Claims (4)
1．一种电极水平放置式氯酸盐电解槽，为单极式的带外反应器的电解槽，其特征在于电解槽的电极是水平放置的，且电极采用带穿孔或拉伸网状乎板式电极，电解槽运行时，电解液是自下而上穿过电极平面；电极板间加有绝缘密封框，电极间的距离可由绝缘密封框的厚度来决定；电极板和密封框复合组装制成密闭槽体。
2．按照权利要求1所述的电解槽，其特征在于在极板上均匀的加工成φ1～10mm圆孔，制成带穿孔的电板，开孔率为20～60％；拉伸网电极的拉伸比在1.30～1.60之间；电极板的厚度为0.5～3mm。
3．按照权利要求1所述的电解槽，其特征在于绝缘密封框采用橡胶、塑料或石棉材料制成，其厚度为0.1～5mm。
4．按照权利要求1所述的电解槽，其特征在于电极的极间距控制在1mm以内。
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