CN1235209A - 离子交换膜电解槽 - Google Patents

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Abstract

一种电解槽,阳极和阴极侧隔板上形成凹凸,凹凸是沿电解槽单元的上下方向延伸的凹条部和凸条部,在高度方向被分割成多个区域,各区域的凹条部与其它区域的凸条部位于同一直线上,相邻区域结合部分中的液络部同时与相同区域的相邻凹条部及凹条部结合,设置在隔板和电极面之间的内部循环部件形成电解液下降的内部循环路,该隔板将隔板凹状部的斜面或设置在隔板凹状部斜面上的平行部件中的至少一个作为分隔壁。

Description

离子交换膜电解槽
本发明涉及一种滤板型电解槽，特别是涉及一种以电解液循环方式为特征的电解槽。
滤板型电解槽主要用于电解食盐来制造氯气和苛性碱，也被广泛用于电解有机物，海水等。
使用滤板型电解槽的最具代表性的电解方法中所用的食盐滤板型电解槽是使用多极式滤板型电解槽，这种多极式滤板型电解槽的结构是这样的，用隔板分隔相邻的阳极室和阴极室并电气及机械连接构成多极式电解单元，再将多个电解单元排列在一起中间隔以阳离子交换膜，在两端将单面有阳极或阴极的任何一个的端部电极室单元重叠，由油压机固定。
另一方面，在多极式电解槽单元上设置了分离阳极室和阴极室的同时起传递电解电流作用的隔板。阳极和阴极分别安装在分离阳极室和阴极室的隔板上。阳极室和阴极室根据电解反应的对象，可能处于氧化性环境中或处于还原性环境中。尤其在利用离子交换膜的具代表性的电解方法即食盐电解中，由于阳极产生氯气，由阴极生成高浓度的氢氧化钠，因此阳极室要使用耐腐蚀性很强的钛，钽，锆等薄膜成形金属或其合金。在阴极室的气氛下，由于钛吸收氢而变脆，因此耐腐蚀性强的钛也不能用于阴极室。因此，阴极室通常使用铁，镍，不锈钢等铁系金属或其合金。虽然用金属隔板形成电极室并将两者连接起来，形成电气接合，但由于阳极室侧的钛和阴极室侧的铁，镍及不锈钢等直接焊接接合时，因为钛和阴极室侧的铁系金属形成金属间化合物，所以接合部位的实际强度不能令人满意。
为了解决这样的问题，本申请人的JP(A)03249189中提出了结构及制造方法简单的多极式电解槽，该电解槽的电解槽单元所用的隔板通过挤压加工出相互嵌合的凹凸，使电极接合凸部。此外，在JP-5005195A(US5314591),JP-5005196A(US5314591)或JP5009774A(US5314591)等中提出了改善多极式电解槽内部的电解液循环的电解槽。
尤其在JP5009774A(US5314591)中提出的方法利用隔板上设计的凹凸保持良好的电气接触，同时提高了电解槽内的电解液的循环，使电解液的浓度保持均匀一致，就能够使电解槽以高效运转。
然而，在这些电解槽中，为了对整个大电极面积供给均匀的电解液，就必须使用能使电解槽内的电解液循环的装置。
图6说明电解液外部循环的循环方法。
从电解槽单元l的下部电解液供给口18向电极室4内提供电解液31，从电解槽上部的排出口32排出含有电解生成物的电解液，并收集于循环槽33内。在循环槽33中，分离出气体34，将排出的部分电解液供给电解液调整装置35，同时使循环槽33内的至少部分电解液与补给液36混合，由循环泵37从电解槽下部的电解液供给口18提供电解液，从而实现了电解液的循环。
当电解液为食盐水时，从电解槽排出的浓度为200g/l的盐水与浓度为300g/l的饱和盐水以容积比为1∶1的比例混合，当供给浓度为250g/l的盐水时，电解槽的电解液供给口18和排出口32的电解液浓度差为50g/l。
为了缩小电解槽的电解液供给口和排出口之间的电解液的浓度差，提出了增加电解液循环量，使大量电解液循环的方法，但若增加流量，电极室上部的压力变动变大，分隔阳极室和阴极室的离子交换膜会发生振动，导致离子交换膜变坏。
图7说明利用电解过程的电解液的比重差进行循环的方法。
设置了一个电解液贮槽38，该贮槽38与电解槽单元1的上部电解槽排出口32连接，电解液贮槽下部的配管与电解液供给口18接通。在电解槽内产生的含有气体的电解生成物因比重差而在电解槽内上升并到达电解液贮槽38内。在电解液贮槽38内，分离出气体生成物34，部分电解液供给电解液调整装置35，部分电解液内补充补给液来调整电解液的浓度，并从电解液供给口18向电极室4内提供。
向具有这样的电解液循环装置的电解槽下部供给的电解液被稀释，并且在电极室的电解液供给口的附近，由于远离电解液供给口的部分电解液的浓度不能充分均匀，导致电流分布不均匀，因此对电解电压产生较为不利的影响。
在盐水电解时，向盐水中供给盐酸，来降低电解液的pH值，但因为电解液的浓度不均匀，电解液供给口附近处于低pH值的环境中，因此离子交换膜容易变坏。
本发明的目的在于提供一种防止电极室内的电解液的浓度及温度不均匀，提高电压，电流效率及离子交换膜的寿命，特别是对电极面积很大的大型电解槽也能得到良好电解性能的电解槽。
图1是说明把内部循环部件安装在本发明的电解槽隔板上的电解槽单元。
图2是说明本发明电解槽的单位电解槽所用的具有凹凸的隔板的示意图。
图3是说明本发明的电解槽上设置的内部循环部件的一个实施例的透视图。
图4是说明本发明的电解槽上设置的内部循环部件的另一个实施例的透视图。
图5说明本发明的电解槽上设置的内部循环部件的还有一个实施例的透视图。
图6是说明电解液在外部循环的电解液循环方法图。
图7是说明随着电解过程的电解液的比重差进行循环的方法的图。
本发明的电解槽的结构是在竖型电解槽单元的阳极侧的隔板和阴极侧的隔板上形成相互嵌合的凹凸，使两隔板重合成一体后的隔板凸部与电极板接触，其特征在于凹凸是沿电解槽单元的上下方向延伸的凹条部和凸条部，凹凸在高度方向被分割成多个区域，各区域的凹条部与其它区域的凸条部位于同一条直线上，相邻区域的结合部分中具有液络部，该液络部同时与相同区域的相邻凹条部及相邻区域的凹条部结合，由设置在隔板和电板面之间的内部循环部件形成电解液下降的内部循环路，该隔板将隔板凹状部的斜面或设置在隔板凹状部斜面上的平行部件中的至少一个作为一个分隔壁。
根据上述的电解槽，内部循环部件是由三角状部件构成，其一个表面与各区域的凹状部的一个斜面接触。
根据上述的电解槽，内部循环路由各区域的凹状部的一个斜面和内部循环部件构成，内部循环部件的沿电极室的纵向延伸的一个侧端部接触隔板的凸状部，在纵向部件的与隔板凸状部接触部分的相反侧的侧端部，构成有向隔板方向延伸的并接触隔板的分隔凹状部及液络部的侧面部。
根据上述的电解槽，内部循环路由各区域的凹状部的斜面和内部循环部件形成，内部循环路由沿电极室的纵向延伸的纵向部件和从纵向部分的侧端部延伸来分隔凹状部和液络部的侧面部构成，在与纵向部件覆盖凹状部整个表面的区域相邻的区域内，在相邻第一区域的第二区域内，纵向部件的中央部位于隔板的凸状部，从纵向部件的侧端部向隔板方向延伸出二个侧面部，这两个侧面部接触隔板。
下面，结合附图说明本发明。
图1示出本发明电解槽的单位电解槽一个实施例，是从剖开了电极及电极室框体的局部的阳极侧所视的图。
电解槽单元1的阳极侧的隔板2是从钛，钽，锆等的薄膜形成金属及它们的合金中选择的薄板加工成锅状，将以同样方式加工的阴极侧隔板(图中未示出)相嵌合，并安装在电解槽框体3上。电极室4内的两隔板上形成相互嵌合的凹凸部，在阳极侧的隔板上设置凹部5和凸部6，在阴极侧的隔板上与阳极侧的凹凸相嵌合的位置也设置同样沟状的凹部和凸部。
通过焊接将作为电极7的阳极直接或通过导电隔垫(图中未示出)焊接在阳极侧隔板的凸部上。阳极是在网形金属，多孔板等上形成由白金族金属氧化物构成的阳极活性覆盖层的电极，同样地在阴极侧的隔板凸部上直接或通过导电隔垫焊接阴极，该阴极是在网形金属，多孔板等上形成由镍系，白金族金属系的物质构成的阴极活性覆盖层的电极。
凹凸从上部将隔板分割成第一区域11，第二区域12，第三区域13及第四区域14共四个区域，各区域的凹部及凸部为沿电解槽单元的上下方向延伸的凹条部15及凸条部16，在各区域间形成联络相邻凹条的同时联络上下区域间的凹条部的液络部17。电解槽单元的上下方向的区域不限于第一至第四区域的四个区域，也可以为三个区域或五个以上的多个区域。
电解液从电解液供给口18流入，通过设置在电解槽框体3内部的电解液供给管19从电极室下部的电解液排出口20导入电极室4内部。电解液与电解槽内产生的气体一起沿电极室凹条部上升，从液络部改变流路流向左右凹条部并上升，在上升过程中，电解液进行混合，电解液的浓度均匀一致。
此外本发明的电解槽在隔板2和电极7之间设置内部循环部件21，在隔板2和内部循环部件21之间的区域不流入含有电极产生的气泡的电解液，在电极室的上部，分离出了气泡的电解液向下流，电解液在电极室内进行循环。
内部循环部件21，如本发明的电解槽那样，隔板2从下部至上部不是相同形状的情况下，使内部循环部件21的形状与隔板的凹凸配合，就能够形成从上至下的电解液内部循环通路。
本发明的电解槽由于在隔板2上具有促进电解液的浓度均匀一致的凸条，凹条及液络部的同时，设置了电解液的内部循环部件，因此，即使电解槽是从图1所示的电解液的流入口算起为很深的大型电解槽，电解液也能在电极室内部充分循环，因此能进行高效电解。
图2说明本发明电解槽的单位电解槽上所用的具有凹凸的隔板。
从由斜面22a和斜面22b形成的凹条部15a以及由斜面22c形成的凹条部15b流入液络部的电解液在液络部17处汇合，流向由下一个区域的斜面22d和斜面22e形成的凹条部15c。其结果是从相邻凹条部流入的电解液在液络部处汇合，进行混合，隔板2使电解液的浓度均匀一致。
图3是说明本发明电解槽上的内部循环部件的一个实施例的透视图。
图3(A)是上部和下部不同的区域，电极和隔板局部剖开的透视图。图3(B)示出三角柱状循环部件的示意图。
由于隔板2的每个区域内的凹凸相互错开半个跨度，因此三角柱状内部循环部件21a的二个面交替地接触隔板倾斜方向不同的斜面22f和斜面22g，如本发明的电解槽那样，凹条部不在一条直线时，也能安装三角柱状内部循环部件。从电解槽下部流入的电解液在内部循环部件的外部上流动，由于电解而发生的气泡而产生上升流，在内部循环部件的内部电解液循环路23a内，产生电解液下降流，电解液进行循环。
在本发明的电解槽中，虽然电极7可以直接接触隔板2的凸状部，但也可使棒状金属构成的导电隔垫8与凸状部接触，将电极以焊接等方式接合在导电隔垫上，在隔板凹状部的投影面也存在电极接合部，从而能够使得电极的电流分布均匀及电极形状长期保持不变。此外，由于利用导电隔垫在电极和内部循环部件之间形成间隙，因此能够很好地形成电解液的循环路。
图4是说明本发明的设置在电解槽上的内部循环部件的一实施例的透视图。
图4(A)是电极及隔板局部剖开的透视图，示出上部和下部区域的隔板和内部循环部件21b。在上部，内部循环部件21b的纵向部的侧端部接触凸状部16，在与凸状部不接触的侧端部上形成侧面部，由隔板2的凹条部的斜面22h和侧面部25a形成内部电解液循环路23b。在上部区域上形成的凹条部的延长线上形成凸条部。在下部区域，由隔板斜面22i和内部循环部件22b的侧面部25d形成内部电解液循环路23b。
图4(B)是说明内部循环部件21b的透视图，内部循环部件21b有侧面部25a,25b,25c,25d，这些侧面部25a,25b,25c,25d在部件21b被设置到电极室单元上之际，从与纵向部的隔板凸状部接触的侧端部的相反侧的侧端部，从纵向部24a处交替地沿垂直方向延伸，并由纵向部24，侧面部及隔板的斜面形成内部循环路。
图5是说明本发明的设置在电解槽上的内部循环部件的另外实施例的透视图。
图5(A)是剖开了电极及隔板局部的透视图，图5(A)示出了隔板斜面和内部循环部件。它是由隔板2的凹条部的斜面22j,22k和内部循环部件21d的平面部24b形成内部循环路23d。
另外，如图所示，由斜面22m及22n形成的凸状部位于由斜面22j和22k形成的凹状部的延长线上，因此由斜面22m和内部循环部件21d的侧面部25g形成内部电解液循环路23e，而由斜面22n和内部循环部件21d的侧面部25h形成内部电解液循环路23f。这些内部电解液循环路23e及内部电解液循环路23f与上部的内部电解液循环路23d相通，形成电解液下降流流动的循环路。
图5(B)是说明内部循环部件21d的透视图，内部循环部件21d有侧面部25e,25f,25g,25h，这些侧面部是在内部循环部件21d设置到电极室单元上之际，从面对电极侧的纵向部24b处沿垂直方向延伸，并由隔板及内部循环部件21d的纵向部24b，侧面部25e,25f,25g,25h形成内部循环路。由于在纵向部上设置了为使导电隔垫与凸状部接合的接合孔26，能够减少导电隔垫和隔板的导电接触电阻。
在本发明的电解槽中，由于内部循环部件既不是在电解槽内保持电解槽强度的部件，也不是起到提供电流作用的部件，因此，可以用与隔板材料相同的金属薄板来制作，并通过焊接等方式进行接合。例如，在阳极室侧，可使用厚度为0.5-0.3mm的钛薄板，而在阴极室侧，可使用厚度为0.5-0.3mm的镍等薄板。
内部循环部件的安装是这样的，在安装电极之前，通过焊接等安装在隔板上，但如果是图3所示的三角筒状的内部循环部件，则可安装在电极安装后的空间内。
形成内部循环部件的表面只要能够与电极室的隔板上的凹凸斜面形成空间，就不限于平面状的表面，表面为曲面状的部件也可以使用。
内部循环部件的安装数量，或安装位置根据电解槽的大小等因素可任意设定。内部循环部件的构造可以采用图3至图5所示构造中的一种或几种。
本发明的电解槽由于能够从电极室框下部均匀供给电解液的同时，因隔板上的凹凸使电解液保持良好循环的同时因与凹凸部相配合的内部循环部件而使电解液在电极室内部保持良好循环，因此能够实现电解液浓度和温度的均匀化。
由于能够提高电极室内的电解液的循环，因此防止了电极室内的电解液的浓度及温度的不均匀，提高了电压电流效率，并延长了离子交换膜的寿命。

Claims (4)

1．一种电解槽，在竖型电解槽单元的阳极侧的隔板和阴极侧的隔板上形成相互嵌合的凹凸，使两隔板重合成一体后的隔板凸部与电极板接触，其特征在于凹凸是沿电解槽单元的上下方向延伸的凹条部和凸条部，凹凸在高度方向被分割成多个区域，各区域的凹条部与其它区域的凸条部位于同一条直线上，相邻区域的结合部分中具有液络部，该液络部同时与相同区域的相邻凹条部及相邻区域的凹条部结合，由设置在隔板和电极面之间的内部循环部件形成电解液下降的内部循环路，该隔板将隔板凹状部的斜面或设置在隔板凹状部斜面上的平行部件中的至少一个作为一个分隔壁。
2．根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于内部循环部件是由三角状部件构成，其一个表面与各区域的凹状部的一个斜面接触。
3．根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于内部循环路由各区域的凹状部的一个斜面和内部循环部件构成，内部循环部件，沿电极室的纵向延伸的一个侧端部接触隔板的凸状部，在纵向部件的与隔板凸状部接触部分的相反侧的侧端部构成有向隔板方向延伸的并接触隔板的分隔凹状部及液络部的侧面部。
4．根据权利要求1所述的电解槽，其特征在于内部循环路由各区域的凹状部的斜面和内部循环部件形成，内部循环路由沿电极室的纵向延伸的纵向部件和从纵向部分的侧端部延伸来分隔凹状部和液络部的侧面部构成，在与纵向部件覆盖凹状部整个表面的区域相邻的区域内，在相邻第一区域的第二区域内，纵向部件的中央部位于隔板的凸状部，从纵向部件的侧端部向隔板方向延伸出二个侧面部，这两个侧面部接触隔板。
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