CN1930325A - 用于电化学工艺的电解槽 - Google Patents

Abstract

一种用于阳极氧析出电化学工艺的有限极间间隔电解槽，其包括固定在框架上的平面阳极组件和与阳极组件相互插合并固定在框架上的平面阴极组件。该阴极组件可以通过提升设备单独操作或者同时操作阴极和阳极组件。该电解槽特别适用于金属电沉积工艺和微电解含钙水的软化工艺。

Description

用于电化学工艺的电解槽

技术领域

本发明涉及一种用于阳极析氧电化学工艺的不可分电解槽；特别是，该电解槽可以用在金属电解工艺中或工业水处理过程中，例如饮用水的软化。

背景技术

在工业电化学领域已知一些低电流密度(低于0.5-1kA/m²)的阳极氧气析出的工艺；与自从某个时间以后由于使用高电流密度和/或产生有毒及腐蚀性气体例如氯气使相关电解槽设计已形成了非常精确的进展的其它普通电化学工艺相反，此类应用在目前的技术状况下，电解槽为通用形状的敞开槽，其中设置了单个独立处理用电极。该情况例如是来自金属矿石浸蚀浴(电解等等)的电沉积：此时除了阴极上的构成希望的产物的金属涂层的生长之外，通常将稳定性较差的铅阳极用于氧气析出，这样就导致了电解槽的自然发展，其中不同工艺阶段的电极定位以及电极间距独自调节的灵活性显现了明显的益处。然而，特别是引进了具有活性涂层并且尺寸稳定的钛阳极，替代了更广泛应用的铅阳极，从而现在需要重新考虑传统电解槽的几何结构，以使沉积用电解槽具有更高的效率和生产率因而更快回收此类新一代阳极的较贵成本。特别是，市场需要一种新型的电解槽设计以充分利用新型钛阳极的优点即较低的电解槽电压，以达到即使投资较高该电解槽的引入也会更加有利可图。该种工艺的特点在于电流密度低(0.2-0.5kA/m2)，因此该项任务确实不容易达到。

要求新型电解池设计的氧析出低电流密度电化学工艺几个其它例子可特别在水处理领域中给出。一个特别相关的例子是通过微电解来软化含钙水。含钙水微电解可通过局部转移碳酸根和碳酸氢根离子之间的平衡来达到碳酸钙和/或碳酸镁的阴极沉积；由于电解质的电导率很差，电解工艺在最小电流密度条件下(均低于20A/m²，通常低于1A/m²)，源自该电解工艺的局部阴极碱化引起了局部碳酸氢根转化为碳酸根离子，作为溶解度很小的碳酸钙和/或碳酸镁沉积在阴极表面上。在法国专利申请FR2743800中所公开的这种工艺在软化处理特别是饮用水领域，对化学类型的软化处理(砂子存在下用烧碱或用石灰乳)或物理类型的软化处理(用离子交换树脂)形成了强有力的竞争。然而由于目前在法国专利申请中所采用的用于该用途的圆柱形反应器的效率很低从而使得该工艺的成本很高。

本发明的目的之一在于提供克服在先工艺的局限性的用于氧析出低电流密度工艺的电化学电解槽。特别是，本发明的目的之一在于提供用于氧析出低电流密度工艺的电化学电解槽，例如用在金属电解工艺或饮用水处理工艺中，在电效率、电导率/设备面积、操作灵活性和处理维护方便性方面显示了优异的特性。

发明内容

一方面，本发明提供一种电化学电解槽，其适宜于电解质具有向上流动，并且其包含相互插合的阳极组件和阴极组件。该阴极组件包括一排垂直的平面阴极，其被固定在阴极框架上，优选固定在两个上部点上。阳极组件包括一排垂直的平面阳极，优选固定在阳极架的至少两个上部点和两个下部点上，继而将其通过螺栓或另外可逆的固定方式连接到阴极框架上。阴极框架适宜于通过适合的提升设备(例如吊杆或门式吊杆)进行操纵从而利用单次操作就可以使整个阴极组件定位。此外，阳极架与阴极框架的可逆固定使得对阴极组件的单独操作或同时操作两个电极组件成为可能。在一个优选实施方式中，平面阴极包括不锈钢或镍片材。在一个特别优选的实施方式中，阳极包括阀门金属片材，优选为覆盖有用于氧析出的催化涂层的钛片材。

本发明的电解槽可以由适于装有阳极和阴极组件的池来限定，或由含有侧壁，例如用螺栓或另外方式固定在阳极架上的侧壁的池来限定。在后种情况中，电解槽不提供本身的底部，其被定位在适合收集池中，例如位于现场的锥形底的料罐(hopper tank)。该方法通常适用于水处理设备，例如含钙水的软化，并且通常适于必须要清除粉状的阴极产物，而优选将所述阴极产物收集在槽底部的情形。

一个优选的实施方式中，本发明的电解槽含有阳极汇流条和阴极汇流条，优选位于上部区域。阴极汇流条优选涉及将阴极固定至阴极框架的区域中。

一个优选的实施方式中，通过适宜的绝缘材料导向件使得符合相互插合位置关系的阳极和阴极组件的固定变得容易，优选通过塑料导向件固定在阳极架上，其中阴极可以装配在组装状态。

在另一方面，本发明涉及金属电解工艺，该电解工艺是在含有金属离子的浴中进行的电解，该金属离子待沉积在电化学电解槽中，该电解槽包含阳极组件和阴极组件，分别含有相互插合的垂直阳极和阴极。

在另一方面，本发明涉及通过在电化学电解槽中进行微电解的含钙水软化工艺，该电解槽包含阳极组件和阴极组件，分别含有相互插入的垂直阳极和阴极。

下面参考附图对本发明进行了描述，但它们仅仅出于简单的举例目的而本发明并不限于此。

附图说明

                      附图简述

-图1为本发明电解槽的俯视图；

-图2为本发明电解槽中的阴极前视图；

-图3为本发明第一实施方式电解槽的侧面图；

-图4为本发明第二实施方式电解槽的侧面图。

                      附图详介

图1是本发明电解槽的俯视图，其中没有显示其外部容纳槽。电解槽包括阳极架(100)，与该阳极架固定的阳极组件包括一排平面阳极(101)，例如本领域中熟知的用于析氧的贵金属氧化物基催化涂层涂覆的钛阳极。阳极(101)优选为多孔结构，例如栅网结构或多孔片材。架(100)也包括一系列绝缘导向件(102)，例如其可由塑料材料制备而成，其有利于阴极在插入阳极(101)的位置处正确的插入。

图中显示阴极组件固定在一个框架上，并位于阳极组件之上，图中显示了该框架的上部纵向条(200)和上部横向条(201)。但是可以根据整个电解槽的结构来相应改变构成阴极框架的纵向和横线条的数量。对于阴极框架，特别是根据图中所示的实施方式，一排平面阴极(203)被固定于纵向条(200)，该平面阴极例如包括不锈钢或镍固体片材。交叉点(204)表示一个阴极(203)在阴极框架上的固定点；因此图中所示的每一阴极都被固定在阴极框架的两个上部点上，每个纵向条(200)有一个。本领域技术人员可以找到几种不同的令人满意的解决方法以将阴极组件固定至相应框架，但是优选的解决方法提供至少两个上部固定点和至少两个底部固定点。

图中所示没有插入隔板的阳极和阴极组件的定位确定了有限极间间隔不可分类型电解槽(undivided type cell)的几何结构；极间间隔决定了大部分的电阻电压降从而决定了电化学工艺中的电阻负担，由于这种类型的结构可具有很严格的容限，因此该极间间隔可以保持为非常低的值。在金属电沉积工艺中，最小极间间隔受到以下需要的限制，即即使是在偶然情形中也需要防止沉积在阴极上的产物接触到相对阳极上(决定了局部短路现象)。在产生非导电性阴极沉积产物的工艺中，例如在水微电解中，此类限制就是不是很严格了，极间间隔可以降低到非常小的值(15-30mm)。通过螺栓(205)可以将阳极架(100)和阴极框架纵向条(200)进行可拆卸式固定。这样通过适宜的提升手段可以将两个电极组件，即阳极组件和阴极组件，同时地进行插入或抽出。类似的，例如，螺栓拆回(205)允许只对阴极组件进行操作。类似操作灵活性的优点对于本领域技术人员来说是显而易见的：例如，可以抽出阴极组件作为单个模块以回收产物同时并不需要对更为精细的阳极组件进行操纵(而在先前工艺中提供的是单个阴极的各自回收)。作为替代，阴极组件在不同支撑物上的抽出和固定可有利于对固定在池中的阳极进行维护操作，从而在阴极组件抽出后也可以容易地接近单个的阳极。

同时，纵向条(200)也可以同时作为电解槽阴极汇流条，或者也可以直接与外部汇流条相连，例如其可以由铜制成。

在一个优选实施方式中，图上并未显示也位于电解槽上部的，与阳极架100进行电连接的等效阳极汇流条。

图2为阴极(203)的前视图，该阴极被固定在阴极框架纵向条(200)的两个上部点上。再次图示了绝缘导向件(102)，其固定在阳极架(100)上并有利于阳极架相对于相邻阳极的正确的定位和对准(图上未示出)。

图3是本发明电解槽的第一实施方式；在前述图中的相同元件以同样的数字在该图中表示。图示结构在各个方向完全开放，该结构适于被插入到合适形状和尺寸的外部容纳槽中。含有电极组件的电解槽芯可以是易于从包含它的槽中可取出的结构。容纳槽通常是相应电化学装置的固定设备，而图3所示的结构可以被构成为或经受催化再生和在与设备本身完全独立的地点进行的其他类型的维护。在很多情况下，例如对于电冶金应用中，先前和现有技术的电极一起使用的池可以用图3所示的结构来取代所述电极而获得重新使用。

在其他情况下，现场所用的容纳槽可以是料罐，通常有锥形底部并且有降低高度的侧壁。在这种情况中，可以根据图4所示的实施方式来制作本发明的电解槽，其中例如被螺栓固定在阳极架(100)上的侧壁(103)被加在了图3所示的元件上。图4中也显示了电解槽中的其它任选元件，例如，进料喷嘴(300)和抽取集管(301)，从电解槽上部的优选可调溢流(302)中供给；该电解槽适用的电化学工艺实际上优选电解质具有较慢的向上流动从底部循环到顶部，并且尽可能减少对阴极沉积物施加的机械作用。本领域技术人员熟知，可调溢流可用以控制电解质的内部运动以尽可能地使其分布均匀。在一个优选的实施方式中，抽取集管(301)可以在组成电解槽结构相同的管结构中提供。

本发明的电解槽可用于任何普通金属初级电沉积工艺中；有限的极间间隔，以及随后电解槽电压的降低，和单位体积的高活性表面造成的高生产率使在此情形贵重金属氧活化物活化的钛电极的使用是很有吸引力的，该电极比常规铅电极更为昂贵，但是从能源节约角度考虑该电极更受欢迎。减少的电阻负担使得该工艺也可在比常规金属电解工艺的电流密度更高的电流密度下进行(例如，为500A/m²而不是100A/m²)。电极组件的模块结构也使得其在生产率/循环方面具有最大的操作灵活性，因为可以根据生产需要通过调整电解槽中电极的数目将阳极和阴极对方便地从工艺中移出或将其加入到工艺中。也发现了该电解槽在一些水处理工艺中，尤其在软化含钙水中的其它自然应用。在这种情况下，尤其重要的是在电解槽中将要软化的水从底部供应保持较慢的向上循环(示意性的，停留时间为10-15分钟)以在上部区域获得所需产品(即软化过的水，例如钙和镁含量降低了90％)，优选通过溢流提供给上部出口集管。通过控制工艺条件可以防止包括法国专利申请FR2743800中所揭示的碳酸盐阴极沉积物从阴极表面脱落从而再次污染水的问题。然而，即使发生了这种情况，具有较慢向上运动的水循环使得脱落的沉积物碎片沉降在容纳槽底部，从而避免了其与产物的混合。

可以在释放阳极架(100)和阴极框架之间的约束(205)时和通过单独提升阴极组件，用例如擦洗、振动感应和/或压缩空气处理的手段机械例如对阴极表面进行周期性清理。

本领域技术人员明显可知，本发明可以对上述的实施例进行变化或改进。

在先的描述并无意限制本发明，其可以是不偏离其范围的不同实施方式，并且本发明的范围也明确地记载在了权利要求书中。

在本申请的说明书和权利要求书中，词语“包括”无意排除其他元件和添加物的存在。

Claims (14)

1.一种用于阳极氧析出电化学工艺的有限极间间隔不可分电解槽，其包括阳极组件和阴极组件，该阳极组件包括被固定在阳极架上的垂直平面阳极，该阴极组件包括被固定在阴极框架上的并插合于所述阳极的垂直平面阴极，所述阳极架和所述阴极框架具有可逆的方式的可拆卸式的固定手段从而可以选择性的单独抽出所述阴极组件或同时抽出所述阳极组件和所述阴极组件。

2.一种如权利要求1所述的电解槽，进一步包括下部进料集管和通过可选择的可调溢流供给的上部电解质出口。

3.一种如权利要求1或2所述的电解槽，其包含固定在所述阳极架上部的阳极汇流条。

4.一种如前述任意一项权利要求所述的电解槽，其中所述阳极包括钛或阀门金属基底和用于氧析出的贵重金属氧化物基催化涂层。

5.一种如前述任意一项权利要求所述的电解槽，其中所述阳极至少固定在所述阳极架的四个点上，两个上部点和两个下部点。

6.一种如前述任意一项权利要求所述的电解槽，其中所述阳极架包括可选择为塑料的绝缘导向装置，用于在相互插合的位置将所述阴极对准所述阳极。

7.一种如前述任意一项权利要求所述的电解槽，其中所述平面阴极是不锈钢或镍片材。

8.一种如前述任意一项权利要求所述的电解槽，其中所述阴极至少固定在所述阴极框架的两个上部点上并且与阴极汇流条电连接。

9.一种如前述任意一项权利要求所述的电解槽，进一步包括外部容纳槽。

10.一种如权利要求1-8所述的电解槽，进一步包括固定所述阳极架的容纳侧壁。

11.一种金属电沉积工艺，其包括利用如权利要求1-10任意一项所述电解槽进行的沉积浴电解。

12.一种水软化工艺，包括对从如权利要求1-10任意一项所述电解槽的底部供给的含碳酸钙和/或碳酸镁的水进行微电解，将所述的碳酸钙和/或碳酸镁沉积在所述平面阴极上并且将被软化的水从上部取出。

13.一种如权利要求12所述的工艺，包括定期将所述阴极组件取出，接着除去沉积在所述平面阴极上的所述碳酸钙和/或碳酸镁。

14.一种如权利要求13所述的工艺，其中使用了机械方法除去所述的碳酸钙和/或碳酸镁。

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